光栅衍射实验

一、实验名称：光栅衍射实验核51玉米彭文2015011744二、实验目的：(1)更熟悉光谱仪的调整和使用；(2)研究用衍射光栅测量光波波长和光栅常数的原理和方法。(3)加深对光栅衍射公式及其建立条件的理解。三、实验原理：称为光栅的衍射光栅是利用多狭缝衍射原理散射光线的光学因素。实际上是一组非常多、平行的等距离、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射晶格是用钻石在平板玻璃上雕刻了很多平行线，刻面线是光栅的不透明间距。平面反射晶格在抛光的硬质合金上刻下许多平行线。实验室中常用的光栅由上述原始光栅复制，通常每毫米使用大约250到600条线。光栅衍射条纹比棱镜更细致，分辨率功能更强，因此广泛用作光谱波长、研究光谱的结构和强度等光学仪器的分光元件。光栅还用于光学测量、光通信和信息处理。光栅常数和光波波长测量图1光栅的衍射光栅的痕迹起到不透光的作用，当单个彩色光束垂直于光栅照射时，每个狭缝的光沿着衍射向各个方向传播，通过镜头聚合相互干扰，在镜头的焦平面上形成一系列明暗条纹。点阵式g(如图1所示)设定了点阵式常数d=AB，在点阵式的法线和I角度方向入射，并在点阵式上产生衍射。在b点，BC垂直于入射光CA，BD垂直于衍射光AD，AD和光栅法线的角度为j。在此方向上，光的振动强化导致f产生亮条纹，光的路径差CA AD是波长的整数倍：(1)在表达式中，l是入射光的波长。如果入射光和衍射光都位于光栅法线的同一侧，(1)括号内有正号；(1)如果位于光栅法线的两侧，括号内有负号。如果入射光源垂直于光栅入射，即I=0(1)，则样式为：(2)其中m=0，1，2，3，m是衍射级别，JM级m谱线的衍射角度。图3光栅衍射谱晶格g在小平面上的位置图2衍射谱的偏转角度图用最小偏转角度法测量光波波长如图2所示，波长的光束入射到光栅g，入射角为I，入射线等情况下入射到光栅如果法线n侧的m级衍射光的衍射角度为上海，则样式(1)可见(3)如果入射光和m级衍射光的角度表示为，则称为偏转角度。(4)显然根据入射角I变化不难证明是一个很小的值，称为最小偏转角度。而且，只有当入射光和衍射光位于法向同侧时，最小偏转才存在。这时(5)进退刀(3)M=0，1，2，(6)因此，在光栅常数d已知的情况下，测量最小偏转角度时，根据表达式(6)计算波长。四、主要实验设备和实验阶段：实验仪器：1.1.光谱仪分光计结构和调整方法见第4.3节。本实验的各项任务中，为了实现平行光入射并测量位置角度，需要调整平行光观测：望远镜，平行光管产生平行光，两个光轴都垂直于光谱仪主轴。2.2.光栅如上所述，光栅上有很多平行、等距离的板角线。本实验要求晶格线与光谱仪主轴平行。如果光栅碎片线与光谱仪主轴不平行，衍射光谱就会倾斜，倾斜方向与光栅碎片垂直的方向与光谱仪方向不平行，但谱线本身与狭缝平行。显然，这会影响测量结果。可以调整小平台，使光栅痕迹与光谱仪主轴平行。为了进行调整，请将光栅平面与垂直于小平台的两个水平调整螺纹联接一起放置。3.水银灯1.汞灯线的波长汞灯线的波长颜色紫色绿色黄红色404.7491.6577.0607.3407.8546.1579.1612.3波长/nm410.8623.4433.9690.7434.8435.82.汞灯光谱汞灯的多级衍射谱3.使用汞灯的注意事项l)汞灯在使用过程中必须与扼流圈连接，不能直接连接到220V电源。否则就会燃烧。2)银灯在使用过程中不要经常亮。否则，寿命将缩短。水银灯紫外线很强，不能直视。实验阶段：(1)调整分光计和光栅以符合测量要求。(2)如果光线垂直入射，即i=0，则测量晶格常数和光波波长。调整光栅平面，使其垂直于平行光管的光轴。垂直于光栅平面引入的平行光是样式(2)设置的条件，因此必须仔细调整以满足此要求。首先将望远镜的垂直叉对准零级线的中心，读取从表盘进入和退出的光的方向(请注意，级线很强，长时间的观察会伤害眼睛，所以要在狭缝前放一两层白纸，以减少亮度)。测量同一m级左右两侧的一对衍射谱线的方位角，分别计算与入射光的角度，如果差值不超过a 角度，则可以认为是垂直入射源。晶格g在小平面上的位置光栅调整图课前由类型(2)推导出d和的不确定度公式。要减少测量误差，必须根据观察到的各级谱线的强度和不确定性的公式，确定几个测量水平更合理。A.使用诱导d的不确定性2=B.不确定性2=所以m越大，越小。可见时，m越大，测量值误差越小。测量。如果光线垂直于光栅平面入射，则对于相同波长的光源，相同m级左右两侧的衍射角度相同。为了提高准确度，通常测量0级左右的每个相应级别的衍射线角度2，如图所示。测量应注意消除圆度盘的偏心差。求d和。晶格常数d被称为水灯绿线的波长，通过测量的绿线衍射角度测量。另外，用求出的d测量汞灯两个黄色线和最亮紫色线之一的波长，并计算d和的不确定性。(3)在诗歌、汞灯光谱中，测量波长短的黄线的波长。使光栅平面法线与平行光管光轴的角度(入射角)相同，同时记录入射光方向和光栅平面的法线方向。调整方法是自己写的，上课前好好考虑一下。使用平面镜可以平行于光栅平面进行调整。先固定外部拨号，然后旋转磁盘(内部磁盘迷你平台不相对于内部滚轮移动)。预先旋转，然后确保十字光标与叉对齐后，读取方向和初始方向的差值为入射角值。测量波长短的黄线的衍射角度。与光线垂直入射时不同，如果斜入射，则对于相同波长的光，在入射光两侧，属于相同等级的光谱线的衍射角度不相同，只能单独测量。根据上述数值，判定衍射光线和入射光线是位于晶格平面法线的同侧还是各向异性。在灯谱中，为了计算波长短的黄线的波长，决定m的符号，用求的d计算。(4)用最小偏角法测定波长长的黄线的波长(挑)。确定方法类似于确定棱镜最小偏转角度的方法。变更入射角度后，如果该线移动，并且发现其中一条黄光线和0级线偏差最小的位置，则可以用该线的位置和0级线的位置(即入射光的位置)测量最小偏转角度。在实际测量中，为了提高测量精度，可以测量2。在最小偏转位置时，在离入射角最近的偏转位置时，通过写下入射线的方向，首先在黄光中找到与入射面法线位于同一侧的光谱线。然后，使用平行光源的光轴作为对称轴，光栅平面的法线切换到对称位置，在入射光线的另一侧，相应级别的衍射线也位于最小偏转角度位置，在记录其方向的前后两种情况下，衍射线的角度为2。使用已经测量的d和样式(6)，可以从汞灯光谱中求出波长较长的黄线的波长，并与实验任务2中获得的实验结果进行比较。五、数据处理：1.=0时测量晶格常数和光波波长；点阵式号码：14；=1 ；入射光方向=15236；33440；波长/nm黄1黄2546.1紫色衍射谱级m3333光标IIII左衍射光方位角1800 44 18356 358 1825 28 17542 “35556”右衍射光方向 1215 3016 12210 3024 12310 30314 1290 “309335” 6245 6248 62366234 5855 5854 46124611 6246.5 6235 5854.5 4611.5 3123.25 “3117.5”2927.25 235.75 A.使用的数据d；=3x 56.1/sin 2927.25 nm=3327.0nm=2.057rad=1.0nmD=(3327.01.0) nmB.寻找黄光1的波长(理论值579.1nm)=3327.0x sin3123.25 /3=579.5 nm=0.3nm1=(579.50.3)nmC.寻找黄光2的波长(理论值577.0nm)2=dsinm/m=575.3nm=0.3nm2=(575.30.3)nmD.找到紫色波长(理论值435.8nm)=433.3nm=0.2nm3=(433.30.2)nm计算后：光黄1黄2绿色紫色理论值/nm579.1577.0546.1435.8测量/nm579.50.3575.30.3433.30.2相对偏差0.069%0.295%0.574%2.测量波长短的黄线的波长点阵式号码：14；点阵式平面法线方向=15238；=33422 。光标入射光方向入射角I 16735 150 150 34739 150 光谱级m光标左衍射光方位角衍射角度相同(不同)的方面2I 18947 “379”“378.5”李卞950 378 光谱级m光标右衍射光方向衍射角度相同(不同)的方面2I 14734 54 55 东条32763656 2=(m的符号与的正号和负号匹配，括号中的正号和负号是同一侧的正号和负号。），A.以光谱级别m=2查找=575.5nm 等于=0.5纳米等于=(575.50.5)nmB.以光谱级别m=2查找=570.6nm 差值=0.46nm iso=(570.60.5)nm=(等于差)/2=573.0nm=5.93*10-4=0.34纳米=(573.00.3)nm光谱级m相同(不同)的方面测量/nm理论值/nm相对偏差2李卞570.60.5577.01.109%2东条575.50.5577.00.260%平均573.0577.00.693%3.选择(最小偏转角度法)首先，在黄色射线上寻找与入射线和点阵式平面法线位于同一侧的线，变更入射角度，并在最小偏折位置时记下线的位置。然后，使用平行光源的光轴作为对称轴，光栅平面的法线切换到对称位置，在入射光线的另一侧，相应级别的衍射线也位于最小偏转角度位置，在记录其方向的前后两种情况下，衍射线的角度为2。光谱级m光标谱线方向镜像后的方向映射2I 18735 1465 41304130 737 “3267”4130，m=22=599.2nm=0.4nm=(599.20.4)nm与理论值的偏差：(599.2-579.1)/579.1*100%=3.471%，此时，误差等于0时，远远大于测量的误差。六、考试问题：(1)望远镜光轴光谱仪主轴调整平面镜法线与望远镜光轴平行时，反射比与叉子的顶交点完全匹配，在小平台旋转180度后，如果完全匹配，则望远镜光轴与光谱仪主轴垂直。调整方法是使用渐近法。即，将反射图像和相交线之间的距离减少一半，调整望远镜的水平调节螺钉以匹配，然后转动小平台180重复上述步骤。调整光栅平面，使其垂直于平行光管道的光轴。首先将望远镜的垂直叉对准零级线的中心，从表盘读取接收光线的位置，测量相同m级左右两侧的衍射线对的方位角，分别计算与入射光的角度，如果差值不超过a 角，则认为是垂直入射源。(2) a .使用诱导d的不确定性2=B.不确定性