《大学物理实验》2-19实验十九 用透射光栅测光波波长及角色散率.pdfVIP

实验十九 用透射光栅测光波波长及角色散率 衍射光栅是一种分光元件，由于其基质材料不同而有透射光栅和反射光栅两类。它 们都相当于一组数目很多，排列紧密，均匀的平行狭缝，透射光栅是用金刚石在一块平面 玻璃上刻划而成的。反射光栅则是刻划在精研过的硬质金属面上，用这种方法刻制的光栅， 由于要求非常精密，因而制造困难，所以价格非常昂贵，而平常所用的光栅大都是复制品。 如今由于单色性好的激光的出现，应用其干涉原理制成了全息光栅，制造容易，价格便宜， 从而使得光栅摄谱仪在现代技术上有极其广泛的应用，光栅实验也得以普及。本实验用的 光栅是一块透射光栅。 一、实验目的 1．了解分光计的结构，学会正确的调整方法； 2 ． 加深对光的衍射理论及光栅分光原理的理解； 3 ． 学会用透射光栅测定光波波长、光栅常数及角色散率。 二、实验原理 1. 光栅衍射及光波波长的测定 根据夫琅禾费衍射理论，若以单色平行光 垂直地入射到透射光栅上（如图 1 所示），当满 足光栅方程： d sinθ kλ (k=0, ±1,±2 ,……) （１） 时，θ方向的光将加强，其它方向的光将减弱甚 图１ 光栅衍射原理图 至完全抵消。式中 θ是衍射角，d 是缝距又常称 为光栅常数（d = a + b ，其中a 是刻痕宽度，b 为狭缝宽度），k 为衍射光谱的级数，λ 是光的波长。如果用会聚透镜将这些衍射后的光 会聚起来，可以在透镜的焦平面上看到衍射后的 光谱。 由光栅方程可知，对于所有波长的光，其零 级谱线都在 θ＝0 的方向上，其它各级谱线对称 地分布在零级条纹两侧。当已知光栅常数 d 时， 只要测出第 k 级(实验中取 k ＝1)谱线的衍射角 θ ，就可以求得产生衍射的光波的波长λ 。反 之，入射光波长λ 已知，通过测定衍射角θ ， 171 图2 光栅光谱示意图 便可求出光栅常数 d 。 2. 光栅的角色散率 如果光源中包含几种成份的光波，根据衍射方程，在同一级谱线(除零级外) 中，不同 波长的光波就有不同的衍射角θ，从而在同一级谱线中形成多条单色谱线，如图2 所示。 对于第 k 级谱线，设相邻两单色谱线对应的波长差为Δλ，衍射角之差为Δθ ，定义该光 栅在θ方向的角色散率 Ｄ为 Δθ D （２） Δλ 角色散率是表征光栅基本特性的物理量之一，对（１）式两边求微分，并结合（２）可得 k D （３） d cosθ 如果已知衍射级次 k 和光栅常数 d ,通过测出衍射角θ ，即可求出该衍射方向的角色 散率 D 。 三、实验仪器 ′ JJY 型1 分光计、光栅 、汞灯、手持照明放大镜、光学双面反射镜。 四、实验内容和步骤 1、分光计的调节 分光计的调节步骤是：(1)调节望远镜聚焦于无穷远处；(2) 使望远镜光轴垂直于分光计转轴；(3) 平行光管产生平行光且光 轴垂直于分光计转轴。具体的调节方法参阅分光计的调节和使 用。 2 、光栅的调节 （1）调节光栅平面使之平行于仪器转轴并垂直于平行光管 图 3 光栅在载物台上 光轴 放置位置俯视示意图 先将望远镜叉丝对准平行光管狭缝，并固定望远镜。按图 3 所示的位置放置光栅，尽可能做到光栅平面垂直平分Z1 Z2 ，