实验二十一 衍射光栅.doc

实验二十一衍射光栅

衍射光栅是根据单缝衍射和多缝干涉原理制成的一种分光元件，它能产生谱线间距较宽的匀排光谱。所得光谱线的亮度比用棱镜分光时要小些，但光栅的分辨本领比棱镜大，条纹清晰，可以用于几纳米到几百微米的整个光学谱域，用光栅作色散元件的光学仪器在地质、冶金、石油化工等科学技术领域得到广泛应用。
[实验目的]

1.进一步熟悉分光计的调节和使用。
2.观察光栅的衍射现象及特点。
3.掌握利用光栅测量光栅测量光栅常数和波的的原理和方法。

[实验仪器]

分光计，汞灯，，平面镜，光栅等。
[实验原理]

光栅是由等宽等间距的互相平行的许多狭缝构成的光学元件。光栅有两种，一种是由用作透射光衍射的透射光栅；另一种是用于反射光衍射的反射光栅。根据光栅制作工艺不同有刻划光栅、复制光栅与全息光栅之分。一般的光栅在一毫米内有几百至几千条狭缝，本实验中所用的是每毫米有300-600条狭缝的全息透射光栅。
若以单色平行光垂直照射在光栅面上，则透过各个狭缝的光线因衍射将向各个方向传播，经透镜汇聚后互相干涉，并在透镜平面上形成一系列被相当宽的暗区隔开的间距不同的明条纹。
按照光栅衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定
（4-21-1）
式中d=a+b成为光栅常数，λ为入射光波长，k为明条纹（光谱线）级数，是第k级明条纹的衍射角。（参见图4-21-1）。
如果入射光是复色光，则由式（4-21-1）可以看出，光的波长不同，其衍射角也各不相同。于是复色光将被分解。而在中央处，各色光仍重叠在一起，组成中央明条纹。在中央铭文两侧对称地分布着k=1，2…级明条纹各明条纹按照波长由大到小的顺序排列成一组彩色条纹，成为光谱。见图4-21-1（b）
根据以上讨论，我们用分光计测得k级光谱线的衍射角后，若给定入射光波长λ,便可用公式（4-21-1）求出光栅常数d；反之，若已知光栅常数d,又可以求出入射光的波长λ。

[实验内容]

1．调整分光计

调整方法见实验十八，分光计的调整应满足：
望远镜适合于观察平行光，并使其光轴垂直于分光计转轴；
平行光管发出平行光，且使其光轴垂直于分光计转轴，并与望远镜光轴登高。
分光计调好后，固定望远镜。

2.调整光栅
(1)调节光栅平面垂直于平行光管光轴。把光栅按图4-21-2安置在平台上，然后以光栅面作为反射面，用自准法调节光栅面与望远镜光轴垂直。（注意：望远镜已调好，望远镜光轴高低调节螺丝不能再动！）转动载物台，调节调平螺丝G1或G2，使光栅面反射回望远镜的亮十字线与分划板上方的黑十字丝重合。这时，如果狭缝像、亮十字的垂直线和分划板垂直线三者重合，说明光栅平面已垂直平行光管光轴，随后把游标盘锁紧。

（2）调节光栅刻线与分光计转轴平行。松开望远镜止动螺丝，并旋紧望远镜与度盘止动螺丝，使刻度盘能随望远镜一同转动。左右转动望远镜，观察衍射光谱线的分布情况，中央零级呈白色明纹，两侧对称地排列着级和级的谱线组（见图4-21-1）。如果左右的谱线高低有变化，则说明光栅上的刻度线与平行光管的狭缝不平行，此时只要调节调平螺丝G2（见图4-21-2），直到各谱线一般高为止。第二级谱线比较暗淡，要仔细观察。
3.测量汞灯各级谱线的衍射角
（1）由于衍射光谱对中央明条纹是对称得，先测出-k级光谱线相应的两游标读数再测出+k级光谱线相应两游标读数（和对应同一游标），则有

（2）将望远镜移至左边-1级到右边+1级依次测量，记下各条谱线中蓝、绿、黄1、黄2色谱线位置的两游标读数（见图4-21-3）。

(3)为了使十字丝精确对准谱线，可以使用望远镜微动螺丝调节。

[数据处理]

1.已知绿谱线的波长λ绿=546.07nm，求光栅常数d。
（提示：）
2.利用已测出的光栅常数，求λ蓝、λ黄1、λ黄2和误差。
（提示：）
3.已知个谱线波长的公认值分别为：λ蓝=534.83nm；λ黄1=576.96nm；λ黄2=579.07nm。求测量值与公认值的百分误差。

[注意事项]

1.光栅是精密光学元件，严禁用手触摸光学表面，不得擦拭其表面，以免弄脏或损坏。注意轻拿轻放，严禁跌落摔坏。
2.汞灯紫外光很强，不可直视，以免灼伤眼睛。
3.汞灯在关闭后不能立即打开，要等灯管温度下降后，水银蒸气压降到一定程度才能重新点燃，一般约等10min，否则损坏汞灯。

[预习思考题]

1.什么是光的衍射现象？
2.三线重合是指哪三线？

[思考题]
1.如果入射平行光经光栅分光后左右谱线高度不一致，是什么原因造成的？如何调整？

2.光栅衍射光谱与棱镜光谱有哪些不同之处？对于汞灯光源，上述两种光谱中，哪一种颜色光的偏向角最大？