衍射光栅常数与光波长的测量

1、2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,1,衍射光栅常数与光波波长的测量,一、 实验目的,光栅是一种重要的光学元件，在光谱分析、计量、光通信等领域应用比较广泛，按光路情况，光栅分为透射式和反射式。本实验研究的是透射光栅，即由一组数目很多、等间距紧密平行排列的狭缝组成。,1、了解光栅的主要特性及其应用； 2、 进一步掌握分光计的调整和应用； 3、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。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,2,汞灯,平面镜,光栅,分光计,二、实验装置,分光计，透射光栅，汞灯。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,3,三、实验原

2、理,1、光栅分光原理,光栅透光部分宽为a，不透光部分宽为b，d=a+b称为光栅常数。,波长为的单色平行光垂直照射光栅时，出射角满足如下光栅方程时，得到衍射主极大。,光栅常数d，波长以及衍射角三个量，已知其中两个，则第三个可由光栅方程求得。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,4,本实验用分光计的准直管获得平行光，垂直照射光栅后的衍射图样通过望远镜的物镜聚焦到分划板上，进行观察和读数。,使用复色光源时，由光栅方程，各衍射级次中不同波长成分的衍射角不同，从而获得分光。,本实验采用低压汞灯能发出四种不同波长的光：紫光波长紫=4358A0，绿光波长绿=5461A0，黄光波长黄1=5770

3、A0，黄光波长黄2=5791A0,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,5,绿+1级,绿 -1级,黄1 +1 级,黄2 +1 级,黄2 -1 级,黄1 -1 级,本实验通过测量绿光（波长已知）的衍射角可计算出光栅常数d，再通过测量紫光、双黄线的衍射角，可计算出紫光和两种黄光的波长。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,6,2、谱线半角宽度,条纹细,特别注意：k级主极大左是kN-1，右kN+1级极小！,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,7,中心角距离,半角宽,瑞利判据,光栅的 分辨本领,3、光栅的分辨本领,两条谱线(两个主极大)的角间距,谱线本身的半角宽

4、,光栅的分辨本领与谱线的级次和光栅的缝数成正比。当要求在某一级次的谱线上提高光栅的分辨本领时，必须增大光栅的总缝数。这就是光栅之所以要刻上上万条甚至几十万条刻痕的原因.,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,8,、调节分光计,平行光管产生平行光（平行光管的狭缝位于其物镜焦平面上），且光轴与仪器主轴垂直。,望远镜能接受平行光（分划板位于物镜焦平面上），且光轴与仪器主轴垂直。,载物台平面与仪器主轴垂直。,四、实验内容及要求,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,9,、调节光栅,望远镜及平行光管均与光栅平面垂直（三线合一）。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,

5、10,光栅刻线与仪器主轴平行。,转动望远镜，观察 1级、 2级各级衍射主极大，看它们是否等高。若不等高，调节B3螺钉使它们等高。,注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固定在一起。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,11,、测量衍射角,以绿光为例，转动望远镜，使-2级与分划板垂线重合，读角位置1和1，再测+2级角位置2和2，则1级绿光的衍射角为：,测量时，从最右端的黄2光开始，依次测黄2、黄1，绿光，紫光直到最左端的黄2光。,光栅衍射光谱示意图,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,12,左边绿色光谱,右边绿色光谱,0白色光谱,右游标,左游标,2020/7/6,重庆邮

6、电大学理学院物理实验中心,13,测量顺序,测量顺序,五、实验数据记录与数据处理要求,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,14,以绿光的衍射角计算光栅常数d及其不确定度，正确表示结果（绿光波长为546.1nm） 。,光栅常数 d u(d) 。,求紫光、黄1和黄2四种波长三条谱线的波长 u()（二级）,计算紫光、绿光、黄1和黄2四种波长成分的衍射角，其不确定度只考虑B类：以仪器示值误差限为1计 。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,15,以黄色双线的夹角计算光栅的角色散率 并与理论值 比较。（注意单位）,注意事项,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

7、。 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，游标经过360（即0）时，读数应修正（加360；或减 360）。因此当望远镜对准平行光管时，可把刻度盘的读数调在90及270左右。 注意：测量时“一口气” 测完，中途不走开，不讲话，望远镜一个方向偏转，不回头。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,16,实验报告基本要求： 字迹清晰，文理通顺，图表正确，数据完备和结论明确 内容包括： （1）

8、实验名称 （2）实验目的 （3）实验仪器：型号 名称（重要参数） （4）实验原理： 原理阐述、原理图、光路图、主要计算公式 （5）实验步骤 （6）数据处理：原始数据重新列表并计算处理 （7）实验结论：测量结果报导 （8）误差分析：重要实验误差来源 （9）思考题：、试说明光栅分光和棱镜分光，所产生的光谱有何区别？、用公式dsink = k测d和时，实验要保证什么条件？如何实现？、当狭缝太宽或太窄时将会出现什么现象，为什么？ （10）教师签字数据!,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,17,数据处理要求案例,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,18,、光栅常数,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,19,、各光波波长,本实验采用低压汞灯能发出四种不同波长的光：紫光波长 紫=4358A0，绿光波长绿=5461A0，黄光波长黄1=5770A0，黄光波长黄2=5791A0;所用光栅规格为每毫米300刻线。有测量结果可知：利用光栅衍射级次高的谱线测量，可以提高测量的准确度。,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,20,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,21,实验数据处理,测量结果与数据分析：,光栅受光宽度,2020/7/6,重庆邮电大学理学院物理实验中心,22,问题讨论：比较光栅光谱与棱