分光计的调节和应用.docVIP

2.26 分光计的调节和应用 分光计是把多色光分解为单色光的仪器，它通常利用棱镜或光栅把一束多色人射光分解为不同角度的出射光，通过对出射光角度的测量来得到它的波长等信息。由于分光计对角度的测量精度较高，它有时也作为一种用光学方法测量角度的精密仪器。由于有些物理量如折射率、光栅常数、色散率等往往可以通过直接测量有关的角度（如最小偏向角、衍射角、布儒斯特角等）来确定，所以在光学技术中，分光计的应用十分广泛。分光计的基本部件和调节原理与其他更复杂的光学仪器（如单色仪、摄谱仪等）有许多相似之处，因此学习和使用分光计能为今后使用更为精密的光学仪器打下良好基础。本实验要求学会对它的调节和使用，并通过测量光栅衍射角等应用，了解分光计的基本原理、结构及调整思想． 具有空间周期性结构的衍射屏统称为衍射光栅。最简单的衍射光栅是由等间距的透明与不透明的条纹组成的一维光栅。此外，有各种平面点阵式网格构成的二维光栅、立体点阵（如晶格）构成的三维光栅等。光栅的衍射有十分广泛的应用：利用衍射光方向与波长有关，可构成光栅光谱仪，它比棱镜光谱仪的分辨率更大，并且是线性的，易于计算机处理；利用Ｘ光在晶体上的衍射方向与晶格常数有关，可构成各类Ｘ光衍射仪，它是近代研究物质结构的重要手段，生物分子的ＤＮＡ螺旋结构就是首先用Ｘ光衍射的方法揭示出来的，拍摄它的物理学家和生物学家共同获得了1962年的诺贝尔生理和医学奖。 本实验研究最简单的一维光栅，要求通过实验深入了解光栅衍射的原理与一般规律，学会测量光栅的基本特性及用光栅测量未知波长。 【实验目的】 了解分光仪的结构，熟悉分光仪的使用 观察光栅衍射现象 学会测定光栅常数 【实验原理】 透射光栅是在一块诱明的玻璃上刻有大量、均匀、相互平行的刻痕，如图1所示。为刻痕，是不透光部分，b为透明狭缝的宽度，为相邻两狭缝上相应两点的距离，称为光栅常数。 当一束平行单色光垂直照射到光栅平面时，根据夫琅和费衍射理论，从各狭缝发出的光将发生干涉。干涉条纹是定域在无穷远处，为此在光栅后要加一个汇聚透镜，在用分光计观察光栅衍射条纹时，望远镜的物镜起着会聚透镜的作用。而相邻两缝对应的光程差为： （1） 出现明纹时需满足条件 （2） 式（2）称为光栅方程，其中为单色光波长；ｋ为明纹级数。 在的方向上可观察到中央极强，称为零级谱线，其他谱线则对称地分布在零级谱两侧，如图2所示。如果光源中包几种不同波长，则同一级谱线中对不同的波长有不同的衍射角，从而在不同的位置上形成谱线。由式（2）光栅方程，若波长已知，并能测出已知波长谱线对应的衍射角，则可以求出光栅常数ｄ。 衍射光栅的基本特性可用分辨本领和色散率来表征。角色散率Ｄ（简称色散率）是两条谱线偏向角之差与两者波长之差之比： (3) 对光栅方程微分可有： (4) 由式（4）可知，光栅光谱具有如下特点：光栅常数d越小，色散率越大；高级数的光谱比低级数的光谱有较大的色散率。实际上，是否能观察到两个波长差较小的光谱线被分开，不仅取决于其角色散率，更重要的是其分辨率。因为即使两谱线被分开得较大，但每条谱线都很宽，仍然不能分辨出是两条谱线。 光栅分辨率的定义是两条刚能被光栅分开的谱线的波长差去除它们的平均波长，即 (5) 由瑞利判据和光栅光强分布函数可以导出（读者可参阅参考文献２）： 其中Ｎ是被入射平行光照射的光栅光缝的总条数。由此可知，为了用光栅分开两条很靠近的谱线（例如观察光谱线的精细结构），则不仅要光栅缝很密（d很小），而且要缝很多，并且入射光孔径很大，把这许多缝都照亮才行。 【实验装置】 主要实验装置包括分光计、低压汞灯、光栅等。 实验用的低压汞灯在可见光区主要有四条谱线，波长分别为：(紫色)，(绿色)，(黄色)，(黄色)。另外，低压汞灯中有紫外线，虽远不如高压汞灯那么强，也不宜对它长期注视。 调节用的平面镜不要用手触摸其表面。 实验用的光栅是一种娇嫩的光学元件，易污、易损，要十分小心不要用手或其他物品接触其表面，(只能拿其支架），也不要对着它讲话（以免唾沫污染）。 JJY