【2017年整理】实验4衍射光栅分光特性测量.doc

实验4 衍射光栅分光特性测量 【目的要求】 加深对光的干涉及衍射和光栅分光作用基本原理的理解 2、学透射式光栅光栅常数和角色散率学会用透射式光栅测定光波的波长进一步熟悉分光计的使用方法 【实验仪器】 SGP-3型偏振光实验系统氦氖激光器，分光仪平面透射光栅汞灯钠灯。旋转平台周有角度刻线，中央有0°—0°线和90°—90°线0°—0°线旋转平台【实验原理】 光栅相当于一组数目众多的等宽、等距和平行排列的狭缝，被广泛地用在单色仪、摄谱仪等光学仪器中。有应用透射光工作的透射光栅和应用反射光工作的反射光栅两种，本实验用的是平面透射式光栅。如图8-1所示，设为位于透镜第一焦平面上的细长狭缝，为光栅，光栅的缝宽为，相邻狭缝间不透明部分的宽度，自射出的平行光垂直地照射在光栅上。透镜将与光栅法线成θ角的衍射光会聚于其第二焦平面上的θ点。由夫琅和费衍射理论知，产生衍射亮条纹的条件 θ=mλ (k＝±1，±2，…，±n) (8-1) 该式称为光栅方程，式中θ角是衍射角，λ是光波波长，是光谱级数，是光栅常数，因为衍射亮条纹实际上是光源狭缝的衍射像，是一条锐细的亮线，所以又称为光谱线。当时，任何波长的光均满足(8-1)式，亦即在θ的方向上，各种波长的光谱线重叠在一起，形成明亮的零级光谱，对于的其它数值，不同波长的光谱线出现在不同的方向上(θ的值不同)，而与的正负两组相对应的两组光谱，则对称地分布在零光谱的两侧。若光栅常数已知，在实验中测定了某谱线的衍射角θ和对应的光谱级，则可由(8-1)式求出该谱线的波长λ；反之，如果波长λ是已知的，则可求出光栅常数。 光栅方程对λ微分，就可得到光栅的角色散 (8-2) 角色散是光栅、棱镜等分光元件的重要参数，它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距，当光栅常数愈小时，角色散愈大；光谱的级次愈高，角色散也愈大。且当光栅衍射时，如果衍射角不大，则θ接近不变，光谱的角色散几乎与波长无关，即光谱随波长的分布比较均匀，这和棱镜的不均匀色散有明显的不同。当常数已知时，若测得某谱线的衍射角θ和光谱级，可(8-2)式计算这个波长的角色散率。 分辨本领是光栅的又一重要参数，它表征光栅分辨光谱细节的能力。光栅的色分辨本领是指分辨两条波长差很小的谱线的能力。光栅的色分辨本领可以由瑞利条件算出，即波长λ谱线的强度极大值和波长为λΔλ的谱线强度极大值近旁的强度极小值重合，这时的Δλ就是光栅所能分辨的最小波长差。公式表示为： (8-3) 上式表明，光栅的分辨本领正比于光谱级次和光栅线数，与光栅常数。 【实验内容数据处理】SGP-3型偏振光实验系统上SGP-3型偏振光实验系统1)、调整SGP-3型偏振光实验系统上的氦氖激光器，使其发射的激光束既平行于SGP-3型偏振光实验系统的台面，也平行于台面上两条导轨的中线偏振片SGP-3型偏振光实验系统的 (3)、将旋转平台安置在SGP-3型偏振光实验系统的导轨上 (4)、旋转平台旋转平台90°—90°线)、旋转平台0°—0°线平面透射光栅旋转平台0°—0°线平面透射光栅)、零级亮是±±2、±3、±4、……级亮)、测定衍射角 从光栅的法线(零级亮)起沿一方向转动，使依次与第级衍射光重合，并记录对应的。再反向转动，越过法线，记录另一各级对应的。对应的两次之差，即为该衍射角θ的2倍。重复三次，求出θ及其平均值衍射角)、角色散将步骤)中所测的衍射角θ代入(8-1)式，并，求出光栅常数(8-2)式计算出光栅相应于各级角色散。(8-3)式计算出光栅相应于各级分光计的调节 1)、望远镜调焦至无穷远； 2)、望远镜光轴与分光计主轴垂直； 3)、载物台面与分光计主轴垂直； 4)、平行光管出射平行光，其光轴与望远镜光轴平行。 光栅位置的调节。 )、把光栅按图8-2所示置于载物台上，旋转载物台，并调节平台倾斜螺丝，使望远镜筒中从光栅面反射回来的绿色亮十字像与分划板上方的十字叉丝重合且无视差。再将载物台连同光栅转过180度，重复以上步骤，如此反复数次，使绿色亮十字像始终和分划板上方十字叉丝重合。 )、点燃汞灯，将平行光管的竖直狭缝均匀照亮，调节平行光管的狭缝宽度，使望远镜中分化板上的中央竖直准线对准狭缝象。转动望远镜筒，在光栅法线两侧观察各级衍射光谱，调节平台的三个支撑螺螺钉和3，使各级光谱线等高。这时，光栅的刻纹即平行于仪器的主轴。固定载物平台，在整个测量过程中载物平台及其上面的光栅位置不可再变动。 光栅位置的调节及光谱观察 左右转动望远镜仔细观察谱线的分布规律。在谱线中，中央为白亮线(k＝０的狭缝像)，其两旁各有两级紫、蓝、绿、黄的谱线。 测定衍射角 1)、从光栅的法线(零级光谱亮条纹)起沿一方向转动望远镜筒，使望远镜中叉丝依次与第一级衍射光谱中的各