大學物理實驗不同光源光柵的衍射

物理實驗報告實驗名稱：不同光源的光柵的衍射學院、系：信息工程學院專業(yè)(方向)：電子信息工程（1）班年級、班：2012級學生姓名：李俊峰陳鳳莉指導教師：劉浩2013年12不同光源的光柵的衍射一、報告摘要：分光計是一種精確測量光線偏轉(zhuǎn)角度（如反射角、折射角、偏向角、衍射角等）的光學儀器。通過角度的測量，可以測定材料的折射率、光柵常數(shù)、光波長、色散率等許多物理量。分光計裝置較精密，結(jié)構(gòu)較復雜，調(diào)節(jié)要求也較高，對初學者來說有一定難度，要注意掌握其基本結(jié)構(gòu)和測量原理，嚴格按調(diào)節(jié)要求和步驟耐心操作。熟悉分光計的調(diào)節(jié)方法，對使用其它精密光學儀器（如單色儀、攝譜儀等）具有重要的指導意義。光柵是一種折射率周期性變化的光學元件。最常用的光柵是由大量等寬、等間距的平行狹縫組成的，通常是在一塊平面玻璃上用金剛石刻制、復制或用全息照相等方法制成。光柵是一種重要的分光元件，常被用來精確地測定光波長及進行光譜分析。以衍射光柵為色散元件組成的攝譜儀和單色儀是物質(zhì)光譜分析的基本儀器之一。光柵衍射原理也是晶體X射線結(jié)構(gòu)分析和近代頻譜分析與光學信息處理的基礎(chǔ)本文主要利用光柵與分光計對不同光源（紅色、綠色、藍色，白色，黃色，紅色激光）的光譜進行分析測量。二、實驗目的：1、學會使用PS對光譜的拼接2、了解幾種常用光源的波長范圍。3、了解幾種常用光源的發(fā)光原理。4、通過觀察分析各種光譜的譜線特點。三、實驗原理：圖一光柵衍射若將平行光垂直照射在光柵上，光柵衍射明紋的條件是衍射角φ必須滿足下列關(guān)系：,式中稱為光柵常數(shù)，=，為每毫米上狹縫數(shù)目，λ為入射光波長，k為譜線級數(shù)，φk為k級譜線對應的衍射角。若已知N，并測出衍射角φk，即可求得波長λ。若入射光為幾種不同波長的光，則由光柵方程可知，除中央明紋相互重疊外，其它每一級譜線都因?qū)难苌浣遣煌嗷シ珠_。本實驗不同光源發(fā)出紫、藍、綠、黃1、黃2、紅不同波長的可見光。3.儀器概述圖二分光計4、儀器調(diào)節(jié)要求及技巧1）分光計的調(diào)整要求：（1）使望遠鏡對平行光(即無限遠)聚焦，成像在分劃板上，望遠鏡的光軸與分光計中心軸垂直；（2）使平行光管射出平行光，光軸與望遠鏡光軸等高同軸，并垂直于分光計中心軸。2）分光計的調(diào)整方法：（1）粗調(diào)。用肉眼觀察，調(diào)節(jié)平臺、望遠鏡筒、平行光管都初步達到水平狀態(tài)，為進一步的細調(diào)打下基礎(chǔ)。（2）用自準法調(diào)望遠鏡對平行光聚焦。將雙反平面鏡放在平臺上并與望遠鏡光軸目測垂直，為了便于調(diào)節(jié)，放置平面鏡時應使平面鏡與平臺下的3個調(diào)節(jié)螺釘中的兩個平行，如圖4.2.7所示，調(diào)節(jié)平面鏡的俯仰只需調(diào)A螺釘。點亮目鏡下的小燈，然后轉(zhuǎn)動目鏡，先看清分劃板上的叉絲，再伸縮目鏡筒使十字窗的像十分清晰，并用視差法檢查(上下或左右移動眼睛，像與十字線無相對位移)，使十字窗與其反射像之間無視差。由自準直的原理可知，望遠鏡已經(jīng)調(diào)焦至無限遠了或稱望遠鏡能接收平行光，以后目鏡不要再調(diào)。（3）調(diào)望遠鏡光軸與分光計中心軸相互垂直。為了測準角度，必須使望遠鏡的光軸和平行光管的光軸都與刻度盤平行，而刻度盤在制造時已垂直于分光計中心軸。因此，當它們的光軸與分光計中心軸垂直時，就達到與刻度盤平行的要求。如果望遠鏡的光軸嚴格垂直于平面鏡，那么十字窗的像就與分劃板上部的叉絲完全重合，見圖三。如果不重合，一般情況是望遠鏡和平面鏡都有傾斜?？捎谩胺植空{(diào)節(jié)法”進行調(diào)整：（a）先調(diào)望遠鏡高低，首先觀察從平面鏡的I表面反射的十字窗的像與上部叉絲線的距離，然后將平臺轉(zhuǎn)動180°，觀察從平面鏡的Ⅱ表面反射的十字窗的像與上部叉絲的距離，然后調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘，使從平面鏡的Ⅰ、Ⅱ表面的反射像分別在上部叉絲上方和下方，且距離相等，即消除了由望遠鏡傾斜產(chǎn)生的偏離。圖三（b）然后調(diào)平臺的螺釘A，使反射像與上部十字線完全重合，即消除了由平面鏡傾斜(即平臺AA′方向不垂直于分光計中心軸)產(chǎn)生的偏離；（c）可以進行一次檢查，轉(zhuǎn)動平臺180°，如果未達到實驗要求，可重復上述步驟（a）和（b）即可完全達到要求。（4）調(diào)整平行光管。取下平面鏡并關(guān)閉望遠鏡上的照明燈。用已調(diào)好的望遠鏡來調(diào)節(jié)平行光管。調(diào)整方法如下：（a）從側(cè)面和俯視兩個方向用目視法把平行光管光軸大致調(diào)節(jié)到與望遠鏡光軸相一致；（b）打開狹縫，用光源將狹縫照明，從望遠鏡中觀察，同時伸縮狹縫筒，直到看見清晰的狹縫像且與叉絲線無視差，這樣平行光管發(fā)出的光即為平行光。然后調(diào)整縫寬約1毫米（c）轉(zhuǎn)動狹縫呈水平狀，調(diào)節(jié)平行光管的俯仰，使狹縫的像與分劃板上的叉絲的中心水平線重合，這樣平行光管的光軸就與分光計中心軸垂直。在測量時將狹縫轉(zhuǎn)動呈豎直狀，并要使狹縫像仍保持清晰。

四、實驗過程：1.把分光計調(diào)整到實驗要求的狀態(tài)。2.在分光計平臺上放置光柵。3.調(diào)整光柵使其狹縫與分光計中心軸平行。繞分光計的豎直中心軸轉(zhuǎn)動望遠鏡，觀察不同光源譜線分布情況。4.先給光譜找一個零點的位置并記下此刻游標盤的讀數(shù)。5．測量衍射角。轉(zhuǎn)動望遠鏡，從零點位置開始向右，依次測出K=1級的紫、藍、綠、黃1、黃2、紅的角度，在叉絲接近譜線時，要微動望遠鏡使豎叉絲線與譜線中心重合，然后讀數(shù)。6、處理數(shù)據(jù)，并記入表格。五、實驗儀器：圖四六、實驗現(xiàn)象及分析紅燈下的光柵的衍射橙：123°32′黃1:122°49′藍紫：117°45′藍紫：88°28′黃2:81°55′橙：81°33黃2:122°51′綠:121°15′深紫：116°14′深紫：88°52′綠：83°30′黃1:81°28表1紅色光源譜線測量數(shù)據(jù)零點位置：102°0′譜線顏色深紫色藍紫色綠色黃1黃2橙黃色角度值116°14′117°45′121°15′122°49′122°51′123°32′角度差14°14′15°45′19°15′20°49′20°51′21°32′Sin值0.2458710.2714400.3296910.3553790.3559230.367042計算波長(nm)409.79452.40549.48592.30593.20611.74標準波長(nm)404.66435.84546.07579.07576.96607.26紅色光源的衍射光譜中，紅色區(qū)最為明亮，其中一些原因是燈內(nèi)紫外線輻射激發(fā)熒光粉的產(chǎn)物，雖然降低了藍紫區(qū)譜線的分辨率，但總體看來譜線還是清晰準確的。人眼對藍色光較為敏感，縱觀藍色節(jié)能燈的譜線特征，它們在整個視野范圍內(nèi)明亮清晰，藍綠色區(qū)紫外線照射熒光粉發(fā)出的連續(xù)光譜，形成了望遠鏡藍綠色視野中良好的背景光，它使望遠鏡叉絲在整個范圍內(nèi)清晰可辨，非常方便藍色節(jié)能燈各個特征譜線的定位測量工作。綠燈下的光柵的衍射橙：124°52′黃1:123°06′藍紫：117°53′藍紫：87°28′黃2:81°19′橙：81°33黃2:123°10′綠:122°15′深紫：116°56′深紫：88°52′綠：83°30′黃1:81°15表2綠色光源譜線測量數(shù)據(jù)零點位置：102°0′譜線顏色深紫色紫色綠色黃1黃2橙黃色角度值116°56′117°53′122°15′123°06′123°10′124°52′角度差14°56′15°53′20°15′21°06′21°10′22°52′Sin值0.2576950.2736790.3461170.3599970.3610820.388588計算波長429.49456.13576.86.90599.99501.80647.64標準波長404.66435.84546.07579.07576.96623.44綠色光源的衍射光譜分立性較差，其存在譜帶的原因是在固體中原子與原子之間結(jié)合較緊密，電子云發(fā)生重疊，能級與能級之間距離很小形成能帶。在能帶中，能級可以近似看作是局部連續(xù)的，于是當處于高能態(tài)的電子躍遷到基態(tài)時，發(fā)出的輻射能量可以近似看作是局部連續(xù)的，便形成了帶狀的光譜。在適當情況下，甚至能形成連續(xù)譜。藍燈下的光柵的衍射橙：125°03′黃1:123°50′藍紫：118°16′藍紫：87°28′黃1:82°01′橙：80°53黃2:123°54′綠:123°15′深紫：117°53′深紫：88°52′綠：83°30′黃2:81°52表3藍色光源譜線測量數(shù)據(jù)零點位置：102°0′譜線顏色深紫色紫色綠色黃1黃2橙黃色角度值117°53′118°16′123°15′123°50′123°54′125°03′角度差15°53′16°16′21°15′21°50′21°54′23°03′Sin值0.2736790.2801080.3624380.3719080.3729880.391534計算波長456.13466.85604.06619.85621.65652.56標準波長404.66435.84546.07579.07576.96623.44白燈下的光柵的衍射橙：121°30′黃1:120°50′藍紫：114°16′藍紫：79°28′黃1:77°01′橙：76°01黃2:120°54′綠:118°15′深紫：113°53′深紫：80°52′綠：78°30′黃2:76°52表4白色光源譜線測量數(shù)據(jù)零點位置：102°0′譜線顏色深紫色紫色綠色黃1黃2橙黃色角度值113°53′114°16′118°15′120°50′120°54′121°30′角度差11°53′12°53′16°15′18°50′18°54′19°30′Sin值0.2059200.2229670.2798290.3228160.3239170.333806計算波長343.20371.61466.38538.03539.86556.34標準波長404.66435.84546.07579.07576.96623.44日光燈的燈光只有特定的光譜，是非連續(xù)的。從上圖可以看出日光燈的紅，綠，藍光比較強，類型于電腦顯示器上的RGB三原色，三種顏色光強相近，使得合成的光接近于白色。黃燈下的光柵的衍射橙：123°30′黃1:122°20′藍紫：117°16′藍紫：87°28′黃1:82°01′橙：80°01黃2:122°54′綠:121°15′深紫：116°53′深紫：88°52′綠：83°30′黃2:82°52表5黃色光源譜線測量數(shù)據(jù)零點位置：102°0′譜線顏色深紫色紫色綠色黃1黃2橙黃色角度值116°53′117°16′121°15′122°20′122°54′123°30′角度差14°53′15°16′19°15′20°20′20°54′21°30′Sin值0.2568520.2633120.2798290.3296910.3567380.366501計算波長428.09438.85549.48579.14594.56610.84標準波長404.66435.84546.07579.07576.96623.44黃色日光燈的光譜有8條可見，分立性較好，其中第3條光譜到第5條之間譜線非常密集，光強相對較弱，且在此范圍內(nèi)的譜線為土黃色，與黃色背景光區(qū)分度較差。黃色日光燈的光譜由條分立性較好且密度較大的譜線構(gòu)成。在基礎(chǔ)物理