光栅衍射袁树青2014.3

1、光栅衍射测波长光栅衍射测波长2014年年3月月太原理工大学物理实验中心 光栅衍射测波长光栅衍射测波长 1. 实验目的实验目的 2. 2. 实验仪器实验仪器 3. 3. 实验原理实验原理 4. 4. 实验内容和步骤实验内容和步骤 5. 5. 注意事项注意事项 6. 6. 思考题思考题1. 1. 实验目的实验目的 了解光栅的主要特性及其应用；了解光栅的主要特性及其应用； 进一步掌握分光计的调整和应用；进一步掌握分光计的调整和应用； 观察光栅衍射现象，学会测量光观察光栅衍射现象，学会测量光 栅常数，用光栅测光波的波长。栅常数，用光栅测光波的波长。2. 2. 实验仪器实验仪器 分光计分光计 光源（汞灯

2、）光源（汞灯） 全息透射光栅全息透射光栅 平面双反射镜平面双反射镜 望远镜望远镜目镜套目镜套筒锁定筒锁定望远镜仰望远镜仰角调节角调节载物台载物台平行平行光管光管游标盘游标盘止动止动平行光管平行光管仰角调节仰角调节狭缝宽狭缝宽度调节度调节望远镜望远镜止动止动游标盘游标盘刻刻度度盘盘载物台载物台止动止动（另侧）（另侧）望远镜刻望远镜刻度盘锁定度盘锁定支架支架转动转动微调微调狭缝套狭缝套筒锁定筒锁定目镜调目镜调焦手轮焦手轮载物台载物台调平调平小电珠小电珠分光计分光计光栅光栅 光栅是由大量光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝等宽、等间距的平行狭缝所所组成的组成的分光分光元件。元件。 本实验所用光栅是本实

3、验所用光栅是激光全息激光全息照相法制做的照相法制做的透射式透射式光栅。光栅。 一束波长为一束波长为的的光垂直照射在光栅平面时，光垂直照射在光栅平面时，通过每一狭缝的光都要产生通过每一狭缝的光都要产生衍射衍射，经过透镜会，经过透镜会聚后相互聚后相互干涉干涉，则在透镜的焦平面上形成一系，则在透镜的焦平面上形成一系列亮线，称为谱线。列亮线，称为谱线。 在各类光学仪器（如单色仪、摄谱仪、光谱仪）在各类光学仪器（如单色仪、摄谱仪、光谱仪） 中中作作分光分光元件元件,研究研究谱线结构谱线结构、谱线的、谱线的波长波长和和强度强度进而研进而研究究物质物质的的结构结构、做、做定量分析定量分析等。等。 用于计量、

4、光通讯、光计算机中作用于计量、光通讯、光计算机中作分光分光和和耦合耦合元件。元件。 在激光器中作在激光器中作选频选频元件。元件。 在光信息处理系统作在光信息处理系统作调制调制器和器和编码编码器。器。 两片光栅叠置并使它们的栅线成小夹角可以构成一两片光栅叠置并使它们的栅线成小夹角可以构成一个个计量光栅计量光栅，用来精密地测量，用来精密地测量长度和角度的微小变化长度和角度的微小变化。在机械、光学、电子、集成电路加工中用于在机械、光学、电子、集成电路加工中用于精确定位精确定位、对接对接、导向导向等测量技术。等测量技术。 光栅测量系统也是中、高档数控机床构成光栅测量系统也是中、高档数控机床构成闭环数控

5、闭环数控系统系统的重要组成部分。的重要组成部分。光栅的广泛用途光栅的广泛用途 衍射光栅、光栅常数衍射光栅、光栅常数 图中的a为刻痕的宽度（即不透光部分）, b为狭缝宽度（即透光部分）， 相邻两缝间的距离(缝距),d=a+b 称为光栅常数。它是光栅的重要参数之一。 光栅常数的倒数为光栅密度,即光栅的单位长度上的条纹数,如某光栅密度为1000条/毫米，即每毫米上刻有1000条刻痕。 3 3. . 实验原理实验原理实验光路图实验光路图( (光谱分布光谱分布) )当一束波长为当一束波长为的平行的平行光光垂直垂直射到光栅上，透射到光栅上，透过过光栅光栅每条狭缝的光都每条狭缝的光都产生产生衍射，通过衍射，

6、通过光栅不光栅不同狭同狭缝的光又将产生缝的光又将产生干干涉涉，因此光栅衍射条纹，因此光栅衍射条纹是是衍射和干涉衍射和干涉两种因素两种因素的综合结果。的综合结果。汞灯的光栅光谱示意图4. 4. 实验内容和步骤实验内容和步骤 4.1 4.1 调节分光计，使其达到正常测量状态调节分光计，使其达到正常测量状态 ( (两两平行、两垂直平行、两垂直) ) 调整分光计就是要达到调整分光计就是要达到平行光管平行光管射出的是射出的是平行光平行光，望远镜接收到平行光望远镜接收到平行光。望远镜和平行光管。望远镜和平行光管共轴。共轴。且中且中心光轴一定要与分光计的中心轴心光轴一定要与分光计的中心轴相互垂直相互垂直。

7、分光计的结构分光计的结构 （1 1）目镜的调焦：）目镜的调焦： 调目镜手轮，一边旋进调目镜手轮，一边旋进（或旋出），从目镜中观察，（或旋出），从目镜中观察，看清分划板双十字刻线。看清分划板双十字刻线。（2 2）物镜调焦：）物镜调焦： 推拉望远镜套筒，看清透光推拉望远镜套筒，看清透光窗十字光标。窗十字光标。 按图所示将平面镜放在载物按图所示将平面镜放在载物台上。转动载物台使镜面与望台上。转动载物台使镜面与望远镜光轴垂直。从目镜中观察，远镜光轴垂直。从目镜中观察，此时可以看到一亮斑，旋转调此时可以看到一亮斑，旋转调焦手轮对望远镜进行调焦，使焦手轮对望远镜进行调焦，使反射十字叉丝像清晰，并调到反射十

8、字叉丝像清晰，并调到无视差。无视差。 平面镜的放置图平面镜的放置图分光计的调整分光计的调整（3 3）调整望远镜的光轴与仪器转轴垂直。）调整望远镜的光轴与仪器转轴垂直。 粗调：调整望远镜光轴上下位置调节螺钉和粗调：调整望远镜光轴上下位置调节螺钉和载物台调平螺钉使视野中能看见光学平行板反载物台调平螺钉使视野中能看见光学平行板反射回来的亮十字像，转动载物台用光学平行板射回来的亮十字像，转动载物台用光学平行板另外一面反射时视野中也能看见反射回来的亮另外一面反射时视野中也能看见反射回来的亮十字像。十字像。 细调：一般情况下，望远镜中观察到的亮十细调：一般情况下，望远镜中观察到的亮十字像与十字丝有一个垂直

9、方向的位移，就是亮字像与十字丝有一个垂直方向的位移，就是亮十字像可能偏高或偏低。则需用各半法调整。十字像可能偏高或偏低。则需用各半法调整。先调节载物台调平螺钉中离我们最近的那个螺先调节载物台调平螺钉中离我们最近的那个螺钉使位移减少一半，再调整望远镜光轴上下位钉使位移减少一半，再调整望远镜光轴上下位置调节螺钉，使垂直方向的位移完全消除。置调节螺钉，使垂直方向的位移完全消除。分光计的调整分光计的调整（3 3）调整望远镜的光轴与仪器转轴垂直。）调整望远镜的光轴与仪器转轴垂直。 各半调整法示意图各半调整法示意图 转动载物台重复以上步骤数次，使平面镜转动载物台重复以上步骤数次，使平面镜两个面的反射十字象

10、严格与调节叉丝重合。然两个面的反射十字象严格与调节叉丝重合。然后把平面镜旋转后把平面镜旋转9090度，使平面镜与螺钉度，使平面镜与螺钉a2a2和和a3a3的连线平行，在对螺钉的连线平行，在对螺钉a a进行调解，使绿十字进行调解，使绿十字光标像与分划板上十字丝重合。光标像与分划板上十字丝重合。分光计的调整分光计的调整（4 4）平行光管调节）平行光管调节 第一，调节平行光管使其产生平行光。打第一，调节平行光管使其产生平行光。打开汞灯电源，照亮狭缝。转动望远镜对准平行开汞灯电源，照亮狭缝。转动望远镜对准平行光管找到狭缝，旋松狭缝装置锁紧螺钉，前后光管找到狭缝，旋松狭缝装置锁紧螺钉，前后移动狭缝装置，

11、使从望远镜中看到清晰的狭缝移动狭缝装置，使从望远镜中看到清晰的狭缝象，并调到无视差。调整狭缝宽度在象，并调到无视差。调整狭缝宽度在1mm1mm左右。左右。 第二，调节平行光管光轴与仪器转轴垂直。第二，调节平行光管光轴与仪器转轴垂直。将狭缝转为水平状态，调节平行光管俯仰螺钉、将狭缝转为水平状态，调节平行光管俯仰螺钉、使狭缝的像和测量用叉丝的下横线重合，再将使狭缝的像和测量用叉丝的下横线重合，再将狭缝转为竖直状态。然后将狭缝套筒紧固螺钉狭缝转为竖直状态。然后将狭缝套筒紧固螺钉旋紧。旋紧。分光计的调整分光计的调整 分光计调节好后可将光栅按双面镜分光计调节好后可将光栅按双面镜的位置放好。调节光栅，使平

12、行光管发的位置放好。调节光栅，使平行光管发出的平行光垂直照射到光栅上，且光栅出的平行光垂直照射到光栅上，且光栅的的刻线刻线与分光计与分光计主轴主轴相相平行平行。使从光栅面反射回来的绿十字光标象与使从光栅面反射回来的绿十字光标象与分划板准线上部十字线完全重和。分划板准线上部十字线完全重和。 调节光栅调节光栅 因为汞灯中绿光波长（因为汞灯中绿光波长（=546.07nm=546.07nm）为已知，由分光计测出光谱中绿光对应为已知，由分光计测出光谱中绿光对应的衍角的衍角，再由公式，再由公式dsin =dsin = k k计计算出光栅常数算出光栅常数d d。然后根据。然后根据d d和两条黄色和两条黄色谱

13、线的衍射角，计算出两条黄光的波长。谱线的衍射角，计算出两条黄光的波长。测量光栅常数和汞灯中两条黄光波长测量光栅常数和汞灯中两条黄光波长4. 4. 实验内容和步骤实验内容和步骤 4.3 4.3 测量光栅常数和汞灯中两条黄光的波长测量光栅常数和汞灯中两条黄光的波长 （1 1）为了）为了消除消除分光计刻度盘的分光计刻度盘的偏心差偏心差，对同一方位，对同一方位要分别读出两游标盘的读数，取其平均。例如，对要分别读出两游标盘的读数，取其平均。例如，对K K级，左右游标读数分别为级，左右游标读数分别为 及及 ，对，对K K级，左级，左 右游标读数分别为右游标读数分别为 及及 ，则，则K K级衍射角为级衍射角

14、为 （2 2）测量时，可将望远镜移至最左端，从）测量时，可将望远镜移至最左端，从2 2，1 1 到到+1+1，+2+2级依次测量，以免漏测数据。级依次测量，以免漏测数据。 （3 3）为使叉丝精确对准光谱线，必）为使叉丝精确对准光谱线，必须须使用望远镜微使用望远镜微 调调俯仰螺钉俯仰螺钉来对准。来对准。kkkk41kkkkk5.5.数据记录数据记录%100 00E5. 5. 注意事项注意事项 对光学仪器及光学元件表面，不能用手触摸，对光学仪器及光学元件表面，不能用手触摸，小心使用勿损坏。小心使用勿损坏。 使用分光计时，一切紧固用的螺钉，该紧固使用分光计时，一切紧固用的螺钉，该紧固时应紧固，该松开时应松开。如当止动螺钉未紧时应紧固，该松开时应松开。如当止动螺钉未紧固时，调微动螺钉则不起作用。转动望远镜时，固时，调微动螺钉则不起作用。转动望远镜时，若没有松开紧固螺钉而用力转动，将使分光计的若没有松开紧固螺钉而用力转动，将使分光计的中心轴产生伤痕，而这种损伤在外表都看不到。中心轴产生伤痕，而这种损伤在外表都看不到。 使用分光计时，注意角游标的读数，游标经使用分光计时，注意角游标的读数，游标经过过360360（即（即0 0）时，读数应修正（加）时，读数应修正（加360360；或减或减 360 360）。因此当望远镜对准平行光管时，