实验十八衍射光栅

实验十八 衍射光栅南京农业大学物理实验中心

一. 基本知识及应用 二. 实验目的三. 实验原理四.实验装置及使用介绍五. 实验操作步骤南京农业大学物理实验中心

一、基本知识及应用 1. 基本知识：大量等宽、等间距、平行排列的狭缝即为衍射光栅。光线透过狭缝后会形成干涉。根据多缝衍射的原理，复色光通过衍射光栅后会形成按波长顺序排列的谱线，称为光栅光谱，所以光栅是一种重要的分光光学元件。在精确测量波长和对物质进行光谱分析中普遍使用的单色仪、摄谱仪就常用衍射光栅构成色散系统。

2. 光栅的应用 衍射光栅是各种光谱仪器的核心元件,广泛应用于石油化工、医药卫生、食品、生物、环保等国民经济和科学研究的各个领域中。如VCD、DVD光头,各种激光器,特别是强激光核聚变,航空航天遥感成像光谱仪,同步辐射光束线等都需要各种特殊光栅。它已经成功地应用于多波段航空遥感成像光谱仪、天文望远镜、高精度光谱分析仪器。此外它还可以构成光栅干涉仪进行精密位移分辨测量。衍射光栅是极其精密的光谱分光元件,它的刻槽密度可达4800槽/mm。

二、实验目的 1. 掌握用衍射光栅精确测量光波波长的原理和方法。 2. 进一步掌握分光计的调节、使用方法。

可知，已知光栅常数及衍射角和级次 时，可利用上述求出光波波长。同理，已知光波波长及衍射角和级次时，可利用上述求出光栅常数。三、实验原理由光栅衍射公式

实际的测量是对已知干涉级次衍射条纹的衍射角 的精确测量。中央明条纹一级明条纹一级明条纹平行光管平行光（复色）载物台望远镜利用分光计可观察到各级衍射条纹（实际能观察到三级）。

用分光计可以测出各种单色光已知衍射级次的衍射角。实际测量的为±1级衍射角，利用公式计算衍射角 用分光计可以测出各种单色光已知衍射级次的衍射角。实际测量的为±1级衍射角，利用公式计算衍射角根据衍射公式则可由已知量计算出待测量。

根据波长及衍射角的变化关系可求出光栅的色散率 ，实验中黄光有相差极小的衍射角，利用其变化关系计算色散率。

四、实验装置及使用介绍 平行光管光栅望远镜

平行光管：复色光经过狭缝后经透镜作用 • 变成平行光。 • 光栅：复色光经过光栅衍射形成衍射（不 • 同级次和波长其衍射角不同）。 • 望远镜：将各级次的单色光会聚在一定角 • 度上，用于观察衍射光。

五、实验操作步骤 1、按照“分光计测三棱镜折射率”实验中的调节要点调整分光计； 2、调整光栅位置，使光栅平面垂直于入射平行光，光栅狭缝（或刻痕）平行于旋转主轴； 3、转动望远镜，可观察到±1、±2级黄、绿、紫三种单色光的衍射角；

4、测量绿光的±1、 ±2级衍射角（波长作为 已知条件），计算光栅常数； 5、测量紫光的±1级、 ±2衍射角（光栅常数作为已知条件），计算紫光的波长；（角度的测量方法参见“分光计测三棱镜折射率”实验的测量方法）

分光计简介 分光计是一种能精确测量角度的典型光学仪器，常用来测量折射率、光波波长、色散率和观测光谱等。由于该装置比较精密,操纵控制部件较多而复杂，故使用时必须按一定的规则严格调整，方能获得较高精度的测量结果。

分光计结构： 载物台望远镜平行光管读数装置

分划板 目镜物镜小电珠小棱镜 (1)自准直望远镜（阿贝式）部分目视镜场准线透光窗

阿贝式自准望远镜由目镜，分划板及物镜三部份组成。分划板上刻的是“≠”形准线，在边上粘有一块45°全反射小棱镜，其表面上涂有一层不透明薄膜，薄膜上刻了一个空心十字窗口，小电珠光从管侧射入后，调节目镜前后位置，可在望远镜目镜视场中看到图中所示的景象。

若在物镜前放一平面镜，前后调节目镜（连同分划板）与物镜的间距，使分划板位于物镜的焦平面上时，小电珠发出透过空心十字窗的光经物镜后成平行光射于平面镜，反射光经物镜后在分划板上形成十字窗口的像。若平面镜面与望远镜光轴垂直，此象将落在“≠”准线上部的交叉点上,如下图所示:若在物镜前放一平面镜，前后调节目镜（连同分划板）与物镜的间距，使分划板位于物镜的焦平面上时，小电珠发出透过空心十字窗的光经物镜后成平行光射于平面镜，反射光经物镜后在分划板上形成十字窗口的像。若平面镜面与望远镜光轴垂直，此象将落在“≠”准线上部的交叉点上,如下图所示:

反射像 自准直望远镜光路图平面镜

平行光管 狭缝会聚透镜光源 (2)平行光管部分：平行光管的一端装有会聚透镜，另一端内插入一套筒，其末端为一宽度可调的狭缝，如下图所示。当狭缝位于透镜的焦平面上时，能使照在狭缝上的光经过透镜后成为平行光。

载物小平台 (3)载物小平台部份：载物小平台用以放置待测物体，台下有三个调平螺钉a1、a2、a3，可调整平台的水平位置，如下图所示。

（4）读数装置部分： 读数装置由刻度圆盘和沿园盘边相隔180°对称安置的两个游标T、T′组成，如右图所示。刻度圆盘分成360°，最小分度为半度（30′），小于半度的读数利用游标读出。游标上有30格，故游标上的读数单位为1′。

角游标读数方法与一般游标相同，如下图所示的位置，角游标读数方法与一般游标相同，如下图所示的位置，

先读出游标0刻线左边所指刻度盘的度数 （必须注意是否超过半刻度线），再读出游标上第几根线与刻度盘刻线对准，然后将二次所读的数相加即可。上图中先读出87°30′，再读出15′，两者相加即： 87°30′+ 15′= 87°45′ 两个游标对称放置是为了消除刻度盘中心与分光计中心轴线之间的偏心差，测量时要同时记下两游标所示的读数。

实验 十八 衍射光栅