如何利用衍射光柵測量波長其原理分析 - 全文

　　如何利用光柵測量光波波長

　　已知光柵常數(shù)，測量衍射角，根據(jù)光柵方程即可計算光波波長；

　　如果不知道光柵常數(shù)，可以分別測量已知波長和未知波長的光的衍射角，根據(jù)光柵方程，消去光柵常數(shù)，即可計算未知光波的波長。

　　用公式：其中λ為入射光波波長，θ為衍射角，k為衍射亮紋的級數(shù)。在θ為0的方向上可以觀察到中央亮紋。其它各級亮紋對稱分布在中央亮紋兩側(cè)。若已知光柵常數(shù)d，測出相應(yīng)的衍射條紋與0級條紋間的夾角θ，便可求出光波波長。

　　光柵行射原理

　　主極大（明條紋）角位置條件

　　光柵方程：

　　dsin = tkh

　　k= 0，1，。

　　k 稱為主極大級數(shù)

　　根據(jù)光柵方程測量光的波長，或者給定光的波長測量光柵常數(shù)。

　　光柵衍射光譜線分布

　　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(xué)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(lǐng)，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(shù)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)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(guān)，一些光學(xué)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(guān)的角度去確定。在光學(xué)技術(shù)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(xué)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(fù)雜，故使用時一定要嚴(yán)格按要求進(jìn)行。特別是對于初學(xué)者，往往會感到有一些困難。但只要在調(diào)整、實(shí)驗(yàn)過程中，明確調(diào)節(jié)要求，注意觀察現(xiàn)象，并努力運(yùn)用已有的理論知識去分析、指導(dǎo)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(xué)儀器中有一定的代表性，學(xué)會它的調(diào)節(jié)和使用方法，有助于掌握操作更為復(fù)雜的光學(xué)儀器。

　　本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)訓(xùn)練的方法與技能有：

　?。?）分光計的調(diào)節(jié)方法，包括望遠(yuǎn)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(biāo)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(chǔ)性物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中注意體會由粗調(diào)到細(xì)調(diào)、按規(guī)律調(diào)整精密光學(xué)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(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理難度不大，適合于物理、機(jī)械、計算機(jī)、自動化等眾多理工科專業(yè)的學(xué)生選做，難度系數(shù)為：10。

　　實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容與要求

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

　　（1）目鏡調(diào)焦手輪（看清分劃板刻線）；

　　（2）望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦（看清物體）手輪（或螺釘）；

　　（3）調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡水平螺釘；

　?。?）控制望遠(yuǎn)鏡（連同刻度盤）轉(zhuǎn)動的螺絲；

　?。?）調(diào)整載物臺水平狀態(tài)的三個螺絲；

　?。?）控制載物臺轉(zhuǎn)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；

　?。?）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：

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

　?。?）用自準(zhǔn)法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)。

　　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(zhuǎn)動載物臺，或輕調(diào)載物臺和望遠(yuǎn)鏡的水平，從望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡目鏡套筒的位置，使十字像清晰。注意消除視差。

　　（3）調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡和載物臺的水平調(diào)節(jié)螺釘，并輕緩轉(zhuǎn)動載物臺，從望遠(yuǎn)鏡中能夠觀察到小平面鏡兩面反射回的十字像，然后細(xì)調(diào)望遠(yuǎn)鏡及載物臺的水平，使十字像與望遠(yuǎn)鏡視場中上方刻線十字處重合。

　?。?）調(diào)整平行光管。 用已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡調(diào)整平行光管。調(diào)節(jié)狹縫裝置的位置，使從望遠(yuǎn)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。

　?。?）對準(zhǔn)衍射條紋，利用兩個角游標(biāo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值比較，計算相對百分誤差。

　　實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)鏡和刻度盤、游標(biāo)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(yù)習(xí)基本要求

　　1、了解分光計的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)部件比較多，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，很快就會掌握調(diào)節(jié)和使用方法。

　　2、調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)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(xì)調(diào)的方法，也就是說先通過目視調(diào)節(jié)，使望遠(yuǎn)鏡基本水平，小平面鏡基本與望遠(yuǎn)鏡相垂直，然后再從望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(biāo)盤，刻度盤與望遠(yuǎn)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(jī)構(gòu)時，注意消除螺距差。