光柵衍射實驗

1、光柵衍射實驗光波波長的測量1【實驗?zāi)康摹?1.觀察光柵衍射現(xiàn)象，了解光柵的應(yīng)用及其特性。 2.測量汞燈不同譜線的波長。2【實驗儀器】 分光儀全息透射光柵光源（汞燈）雙面反射鏡 3【實驗原理】 衍射光柵是利用多縫衍射原理使光發(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)，它已被廣泛地裝配在各種光譜儀器中。1821年夫瑯禾費創(chuàng)制了用細(xì)金屬絲做成的衍射光柵，并且用它測量了太陽光譜暗線的波長。后來他又在貼著金箔的玻璃上用金剛石刻劃平行線做成色散更大的光柵。第一個直接在玻璃板上刻制光柵的是諾伯爾（1806-1881）?，F(xiàn)在使用的光柵有透射式和

2、反射式兩種，多是以刻線光柵為模板，復(fù)制在以光學(xué)玻璃為基板的薄膜上做成的，也有用全息照相法制做的。本實驗所用光柵是透射式光柵。4當(dāng)一束平行單色光垂直入射到光柵上，透過光柵的每條狹縫的光都產(chǎn)生有衍射，而通過光柵不同狹縫的光還要發(fā)生干涉，因此光柵的衍射條紋實質(zhì)應(yīng)是衍射和干涉的總效果。設(shè)光柵的刻痕寬度為a，透明狹縫寬度為b，相鄰兩縫間的距離d=a+b，稱為光柵常數(shù)，它是光柵的重要參數(shù)之一。單色平行光束垂直照射光柵，按照光柵衍射原理，衍射光柵中明條紋的位置為： 式中為單色光波長，k是亮條紋級次，jk為k級譜線的衍射角。此式稱為光柵方程，它是研究光柵衍射的重要公式。 5衍射光柵的基本特性可用分辨本領(lǐng)和色散

3、率來表征。角色散率D（簡稱色散率）是兩條譜線偏向角之差 兩者波長之差 之比： 對光柵方程微分可有 由上式可知，光柵光譜具有如下特點：光柵常數(shù)d越小，色散率越大；高級數(shù)的光譜比低級數(shù)的光譜有較大的色散率；衍射角很小時，色散率D可看成常數(shù)，此時， 與 成正比，故光柵光譜稱為勻排光譜。6 由光柵方程可以看出，如果入射光為復(fù)色光，k=0時，有： ，不同波長的零級亮紋重疊在一起，則零級條紋仍為復(fù)色光。當(dāng)k為其它值時，不同波長的同級亮紋因有不同的衍射角而相互分開，即有不同的位置。因此，在透鏡焦平面上將出現(xiàn)按短波向長波的次序自中央零級向兩側(cè)依次分開排列的彩色譜線。這種由光柵分光產(chǎn)生的光譜稱為光柵光譜。下圖是

4、汞燈光波射入光柵時所得的光譜示意圖。中央亮線是零級主極大。在它的左右兩側(cè)各分布著K=1的可見光四色六波長的衍射譜線，稱為第一級的光柵光譜。向外側(cè)還有第二級，第三級譜線。由此可見，光柵具有將入射光分成按波長排列的光譜的功能。7 汞燈的光柵光譜示意圖8【實驗內(nèi)容與步驟】 分光計的調(diào)整調(diào)節(jié)要求：分光儀達(dá)到以下三點要求，才能用它進(jìn)行精確的測量。 1 、平行光管發(fā)出平行光（平行光管的狹縫位于其物鏡焦平面上）。2、 望遠(yuǎn)鏡接受平行光（調(diào)焦于無窮遠(yuǎn)）。3、平行光管與望遠(yuǎn)鏡“同軸等高”，載物臺與儀器主軸垂直。9光柵調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)光柵平面垂直于平行光管 調(diào)整好分光計，將光柵如圖放置于載物臺上，用望遠(yuǎn)鏡觀察光柵平面發(fā)射

5、回來的亮十字，在輕微轉(zhuǎn)動載物臺，并通過調(diào)平螺絲S2或S3使亮十字像與分劃板上方的十字重合，此時光柵平面與平行光管光軸就垂直了。光柵在載物臺上的位置S1，S2，S3為水平調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)光柵平面與儀器主軸平行 左右轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡觀察汞燈衍射光譜，望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至兩邊時，若左右兩邊光譜線不在同一水平線上說明光柵刻痕與分光計旋轉(zhuǎn)主軸不平行，調(diào)節(jié)調(diào)平螺絲S1，使兩邊譜線處于同一水平線上即可。10 測量汞燈K=1級時各條譜線的衍射角調(diào)節(jié)狹縫寬度適中，使衍射光譜中兩條緊靠的黃譜線能分開。先將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至右側(cè)，測量K=+1級各譜線的位置，從左右兩側(cè)游標(biāo)讀數(shù) 記錄。然后將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至左側(cè)，測出K=-1級各譜線的位置，讀數(shù)分別計 為 。同一游標(biāo)的讀數(shù)相減： 由于分光計偏心差的存在，衍射角和有差異，求其平均值可消除了偏心差。所以，各譜線的衍射角為： 測量時，從最右端的黃2光開始，依次測黃1光，綠光，直到最左端的黃2光，重復(fù)測量三次。11數(shù)據(jù)記錄及處理 汞燈譜線波長的測量 譜線級數(shù)K=1，光柵常數(shù)d=_mm 12思考題1、分光計主要由哪幾部分組成？為什么說望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整是分光