用光柵測量光的波長 - 如何利用衍射光柵測量波長其原理分析

　　用光柵測量光的波長

　　衍射光柵是利用多縫衍射原理使光波發(fā)生色散的光學元件，由大量相互平行、等寬、等間距的狹縫或刻痕所組成。由于光柵具有較大的色散率和較高的分辨本領，故它已被廣泛地裝配在各種光譜儀器中。采用現(xiàn)代高科技技術可制成每厘米有上萬條狹縫的光柵，它不僅適用于分析可見光成分，還能用于紅外和紫外光波。在結構上有平面光柵和凹面光柵之分，同時光柵分為透射式和反射式兩大類。本實驗所用光柵是透射式光柵。

　　光在傳播過程中的衍射、散射等物理現(xiàn)象以及光的反射和折射等都與角度有關，一些光學量如折射率、波長、衍射條紋的極大和極小位置等都可以通過測量有關的角度去確定。在光學技術中，精確測量光線偏折的角度具有十分重要的意義。

　　分光計是一種用于角度精確測量的典型光學儀器，常用來測量光波波長、折射率、色散率、觀測光譜等。由于該裝置比較精密，操縱控制部分多而復雜，故使用時一定要嚴格按要求進行。特別是對于初學者，往往會感到有一些困難。但只要在調(diào)整、實驗過程中，明確調(diào)節(jié)要求，注意觀察現(xiàn)象，并努力運用已有的理論知識去分析、指導操作，一般是能夠較好掌握的。分光計的調(diào)整思想、方法與技巧，在光學儀器中有一定的代表性，學會它的調(diào)節(jié)和使用方法，有助于掌握操作更為復雜的光學儀器。

　　本實驗使用的主要儀器有分光計和測量顯微鏡，分別測量光柵衍射角和光柵常數(shù)，重點訓練的方法與技能有：

　?。?）分光計的調(diào)節(jié)方法，包括望遠鏡目鏡調(diào)節(jié)和調(diào)焦、平行光管的調(diào)節(jié)等。

　?。?）分光計角游標的原理和讀數(shù)方法。

　?。?）測量顯微鏡的調(diào)節(jié)和使用方法。這是一個基礎性物理光學實驗。實驗過程中注意體會由粗調(diào)到細調(diào)、按規(guī)律調(diào)整精密光學儀器的思想和方法、消除分光計偏心差的方法、消除視差的方法以及消除螺距差的方法。分光計的使用和調(diào)節(jié)有一定的難度，也是本實驗的重點和難點，數(shù)據(jù)處理難度不大，適合于物理、機械、計算機、自動化等眾多理工科專業(yè)的學生選做，難度系數(shù)為：10。

　　實驗具體內(nèi)容與要求

　　1、分光計的調(diào)節(jié)在進行調(diào)整前，應先熟悉分光計中下列螺絲的位置：

　?。?）目鏡調(diào)焦手輪（看清分劃板刻線）；

　?。?）望遠鏡調(diào)焦（看清物體）手輪（或螺釘）；

　?。?）調(diào)節(jié)望遠鏡水平螺釘；

　?。?）控制望遠鏡（連同刻度盤）轉動的螺絲；

　?。?）調(diào)整載物臺水平狀態(tài)的三個螺絲；

　　（6）控制載物臺轉動的制動螺釘；

　?。?）調(diào)整平行光管狹縫寬度的螺絲；

　?。?）調(diào)整平行光管水平的螺絲；

　　（9）平行光管調(diào)焦的狹縫套筒制動螺絲。

　　分光計的調(diào)節(jié)內(nèi)容和過程大致如下：

　?。?）目測粗調(diào)：將望遠鏡、載物臺、平行光管用目測粗調(diào)成水平，并與中心軸垂直。

　　（2）用自準法調(diào)整望遠鏡聚焦于無窮遠。

　　調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦手輪，直到能夠清楚地看清分劃板上的刻線為止。將小平面鏡放到載物臺上輕緩轉動載物臺，或輕調(diào)載物臺和望遠鏡的水平，從望遠鏡中觀察到反射回的綠色十字像（或模糊的像斑）。調(diào)節(jié)望遠鏡目鏡套筒的位置，使十字像清晰。注意消除視差。

　?。?）調(diào)節(jié)望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直。

　　先粗調(diào)，也就是首先通過目視調(diào)節(jié)望遠鏡和載物臺的水平調(diào)節(jié)螺釘，并輕緩轉動載物臺，從望遠鏡中能夠觀察到小平面鏡兩面反射回的十字像，然后細調(diào)望遠鏡及載物臺的水平，使十字像與望遠鏡視場中上方刻線十字處重合。

　　（4）調(diào)整平行光管。 用已調(diào)好的望遠鏡調(diào)整平行光管。調(diào)節(jié)狹縫裝置的位置，使從望遠鏡里看到的狹縫的像最清晰，調(diào)節(jié)縫寬，使像的寬度大約1mm。調(diào)節(jié)平行光管的光軸與分光計的中心軸垂直。

　　2、衍射角的測量

　?。?）光柵的放置：將光柵放在載物臺上，并通過調(diào)節(jié)使之與平行光管垂直，以滿足平行光直入射的條件。

　　（2）對準衍射條紋，利用兩個角游標精確讀數(shù)。

　　3、光柵常數(shù)的測量

　　正確使用讀數(shù)顯微鏡，并應用累積放大法，每次測量多倍光柵常數(shù)，以減小測量誤差。

　　4、計算鈉黃光的波長，并與標準值比較，計算相對百分誤差。

　　實驗儀器簡介

　　1、分光計 用于測量光柵衍射各級譜線的衍射角。分光計是測量角度的精密儀器，主要由三足底座、平行光管、載物臺、望遠鏡和刻度盤、游標盤等組成。

　　2、測量顯微鏡，用于測量光柵常數(shù)。

　　3、衍射光柵。

　　預習基本要求

　　1、了解分光計的結構和調(diào)節(jié)使用方法。

　　2、理解光衍射條紋的形成原理和光柵方程的意義。

　　3、了解測量顯微鏡的使用方法和光柵常數(shù)的測量方法。

　　4、明白利用分光計測量衍射角的方法和過程，以及利用衍射方程計算鈉黃光波長的方法。

　　常見問題與解答

　　1、分光計結構比較復雜，調(diào)節(jié)部件比較多，實驗時不要太著急，根據(jù)教材說明和教師講解一步一步地有條不紊地進行，很快就會掌握調(diào)節(jié)和使用方法。

　　2、調(diào)節(jié)望遠鏡焦距和水平時，經(jīng)常會出現(xiàn)找不到反射回的十字像的情況。這時要采用先粗調(diào)、后細調(diào)的方法，也就是說先通過目視調(diào)節(jié)，使望遠鏡基本水平，小平面鏡基本與望遠鏡相垂直，然后再從望遠鏡中尋找反射回的十字像。

　　3、通過調(diào)節(jié)使小平面鏡兩面反射回的十字像都與望遠鏡視場中上方的十字位置重合。

　　4、分光計上螺釘較多，一般要固定游標盤，刻度盤與望遠鏡連為一體。定量測量衍射角時，固定刻度盤，使用微調(diào)螺釘更方便。

　　5、測量光柵常數(shù)時，要使光柵刻痕與載物臺移動方向垂直。使用螺旋測微機構時，注意消除螺距差。