《工科物理实验》课件 3.14 测衍射光栅测光波波长

衍射光栅测光波波长112:33:32实验室注意事项1.上实验室前：

弄清楚时间、地点、实验项目、选课编号、组号。写预习报告。

准备好实验用品如：U盘、铅笔、直尺、圆规、草稿纸等，不要用钢笔做图做表。2.进入实验室：

先签到，按组号坐。在报告单上填写完整信息（特别是编号签到表右上角、组号）。保持秩序，不得随地吐痰、乱丢垃圾、吃东西、抽烟等。3.实验中：

爱护仪器设备，轻拿轻放，按照操作步骤，注意设备和人身安全。不得抄袭他人实验数据。4.实验结束：

数据记录交老师签字后，关闭电源、清理台面，恢复仪器和凳子位置。不得带走实验室物品。

一周之内把实验报告投放到实验楼4楼电梯间名称对应的报告箱内。212:33:32实验室安全事项1.上实验室前：

弄清楚楼层、安全疏散通道位置、消防器材位置等。

不要穿拖鞋、带围巾、长项链、液体、食品等进入实验室。长发、长袖要捆扎。2.进入实验室：

不得吃东西，不得将茶水及杂物放置试验台上，严禁抽烟。3.实验中：

注意按照操作步骤，禁止电路短接。发现仪器发热、冒火花、焦臭等异常现象立即报告。仪器轻拿轻放，不要撞击跌落，探针等尖锐物品不得伤人。不得直视强光源，以免伤害眼睛。4.实验结束：

实验做完后，立即关闭电源、清理台面，恢复好仪器和凳子位置（推至桌子下），带走自己物品及垃圾。312:33:32一、实验目的和任务光学技术中的光谱分析、晶体结构分析、全息照相、光学信息处理等都以光的衍射为理论基础。1.加深光栅分光原理的理解。2.用透射光栅测定光栅常数d、光波波长λ。3.熟悉分光计的使用方法。412:33:32二、实验原理1

如图所示，设S为位于透镜L1第一焦平面上的细长狭缝，Ｇ为光栅，光栅的缝宽为d，相邻狭缝间不透明部分的宽度b，透光部分的宽度为a，即d=a+b,自射出的平行光垂直地照射在光栅Ｇ上。透镜L2将与光栅法线成θ角的衍射光会聚于其第二焦平面上的Pθ点。由夫琅和费衍射理论知，产生衍射亮条纹的条件：

512:33:321mm内激光雕刻300条，一片几百元二、实验原理2

dsinθ=kλ（k＝±1，±2，…，±n）(1)该式称为光栅方程，式中θ角是衍射角，λ是光波波长，k是光谱级数，d=a+b是光栅常数，因为衍射亮条纹实际上是光源狭缝的衍射象，是一条锐细的亮线，所以又称为光谱线。

612:33:32二、实验原理3

当k＝０时，任何波长的光均满足（1）式，亦即在θ=0的方向上，各种波长的光谱线重叠在一起，形成明亮的零级光谱，对于k的其它数值，不同波长的光谱线出现在不同的方向上（θ的值不同），而与k的正负两组相对应的两组光谱，则对称地分布在零级光谱两侧。若光栅常数d已知，在实验中测定了某谱线的衍射角θ和对应的光谱级k，则可由（1）式求出该谱线的波长λ；反之，如果波长λ是已知的，则可求出光栅常数d。

dsinθ=kλ（k＝±1，±2，…，±n）

712:33:32三、实验器材1.分光计（JJY－1型）2.平面透射光栅3.汞灯

汞光源：可发出多条分立谱线的复色光源可调狭缝：作为发光物体平行光系统望远镜系统目镜系统载物平台游标尺：1‘主尺：0.5°变压器及照明放大镜812:33:32四、实验步骤11.分光计的调节（1）目测粗调：将望远镜、载物台、平行光管用目测粗调成水平，并与中心轴垂直。（2）用自准法调整望远镜聚焦于无穷远。调节目镜调焦手轮，直到能够清楚地看清分划板上的刻线为止。将小平面镜放到载物台上轻缓转动载物台，或轻调载物台和望远镜的水平，从望远镜中观察到反射回的绿色十字像（或模糊的像斑）。调节望远镜目镜套筒的位置，使十字像清晰。注意消除视差。（3）调节望远镜光轴与分光计中心轴垂直。先粗调，也就是首先通过目视调节望远镜和载物台的水平调节螺钉，并轻缓转动载物台，从望远镜中能够观察到小平面镜两面反射回的十字像，然后细调望远镜及载物台的水平，使十字像与望远镜视场中上方刻线十字处重合。（4）调整平行光管。用已调好的望远镜调整平行光管。调节狭缝装置的位置，使从望远镜里看到的狭缝的像最清晰，调节缝宽，使像的宽度大约1mm。调节平行光管的光轴与分光计的中心轴垂直。

912:33:32四、实验步骤22．调节光栅光栅的调节要求是：调节衍射光栅刻痕与分光计主轴平行。调节方法是：（1）点亮汞灯把平行光管的狭缝照亮，调节望远镜，使其叉丝对准平行光管的狭缝像，然后固定望远镜。（2）把光栅放置在分光计的载物平台上，放置位置如图所示。尽可能做到使光栅平面垂直且平分载物台上调节螺旋Z1、Z2的连线。

诀窍：光栅B头与固定夹靠紧放置，AB光栅压住固定夹对面半径。（3）开启目镜小灯，旋转刻度圆盘并转动载物平台，调节螺旋Z1、Z2，使得从光栅平面反射回来的十字叉丝像与上十字叉丝重合，而且无视差。（4）把载物平台连同光栅转过180°，重复以上步骤，直至这两个位置上，两组叉丝都重合且无视差，至此，光栅平面既平行于分光计的主轴，且与平行光管的光轴相垂直。（5）汞灯光照射在平行光管的狭缝上，调节平行光管的倾斜角度，使狭缝像清晰地呈现在望远镜视场正中。旋松望远镜固定螺旋，转动望远镜，在光栅法线的两侧观察各级衍射光谱，调节平台螺旋Z3，使各级光谱线等高，这时，光栅刻痕与分光计主轴相平行。

1012:33:32四、实验步骤33．光栅常数d的测定以汞灯为光源，设汞灯绿色谱线的波长λ=546.07nm为已知。（1）从光栅的法线（零级光谱明条纹）起向左转动望远镜，使望远镜中叉丝与左边第一级（k=-1）汞灯绿色谱线相重合，并记录此时的游标读数φ-1，φ-1’。（2）反向向右转动望远镜，越过光栅法线，使望远镜中叉丝与另一方向第一级（k=1）汞灯绿色谱线相重合，并记下此时的游标读数φ1，φ1’。则第一级谱线的衍射角为（3）将所测得绿光K=±1级衍射角φ值代入dsinθ=kλ式中，可计算出待测光栅的光栅常数d

值。（4）重复(1)-(3)步骤5次，并求出光栅常数d

的平均值。

1112:33:32四、实验步骤44．未知光波波长λ测定（1）以汞灯为光源，可以看到一系列谱线，选紫蓝色的谱线进行测量。从光栅的法线起，向左转动望远镜，使望远镜中叉丝分别与k=-1级衍射谱线相重合，并记录每一条谱线对应的两个游标读数φ-1，φ-1’。（2）反向向右转动望远镜，使望远镜叉丝分别对准另一方向（中央明条纹另一侧）k=1级衍射谱线，记录各谱线对应的两个游标读数φ1，φ1’。（3）重复步骤(1)-(2)五次，记录数据并求出平均值

,则一级谱线的衍射角为：（4）将其代入dsinθ=kλ中，求得波长λ取平均值，并与公认值相比较，要计算相对百分误差。

老师演示实验最显著的汞灯光谱线分别为435.835nm(蓝色)，546.074nm(绿色)，576.959nm和579.065nm(黄橙)。1212:33:32五、数据记录与处理11.望远镜对准k=±1级，绿色光谱时两个读数窗口的读数。

表1.绿色光谱光栅常数测量数据记录表

次数K=-1级(望远镜偏左)K=1级(望远镜偏右)φ(°′)d（nm）φ-1(°′)φ-1’(°′)φ1(°′)φ1’(°′)1

/2

/3

/4

/5

///将5个角度的平均值度和分°′化为度°9.xx°d平均值sinφ°d的理论值为1/300mm即3333.33nm，求出d相对百分比误差。dsinθ=λ，λ=546.07nm角度中1分=1/60度所有数据保留2位小数1312:33:32五、数据记录与处理22.望远镜对准k=±1级，紫蓝色光谱时两个读数窗口的读数。

表2.汞灯蓝紫光谱线波长测量数据记录表

次数K=-1级(望远镜偏左)K=1级(望远镜偏右)φ(°′)λ（nm）φ-1(°′)φ-1’(°′)φ1(°′)φ1’(°′)1

/2

/3

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/5

///将5个角度的平均值度和分°′化为度°7.xx°λ平均值sinφ°紫蓝色光谱波长435.835nm，求出λ相对百分比误差。1412:33:32d=3333.33nmdsinθ=λ五、数据记录与处理3

读数装置由刻度圆盘和沿圆盘边相隔180°对称安置的两个游标T、T′组成，如附图所示。刻度圆盘分成360°，最小分度为半度（30′），小于半度的读数，利用游标读出。游标上有30格，故游标上的读数单位为1′。角游标读数方法与一般游标相同。如附图所示的位置，其读数为87°（30′+15′）=87°45′,化为87.75°。两个游标对称放置，是为了消除刻度盘中心与分光计中心轴线之间的偏心差，测量时，要同时记下两游标所示的读数。注意望远镜转动过程中是否越过了刻度的零点。如越过了刻度零点，则需要减去360°取绝对值。（可以用手机拍下来放大去看）1512:33:32六、实验注意事项1．