1、4.10 光栅的衍射【实验目的】(1)进一步熟悉分光计的调整与使用;(2)学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法;(3)加深理解光栅衍射公式及其成立条件。【实验原理】衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约 250600 条线。由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用
2、光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱线波长、研究光谱的结构和强度等。另外，光栅还应用于光学计量、光通信及信息处理。1测定光栅常数和光波波长光栅上的刻痕起着不透光的作用，当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。如图 1 所示，设光栅常数 d=AB 的光栅 G，有一束平行光与光栅的法线成 i 角的方向，入射到光栅上产生衍射。从 B 点作BC 垂直于入射光 CA，再作 BD 垂直于衍射光 AD，AD 与光栅法线所成的夹角为 。如果在这方向上由于光振动的加强而在 F 处产生了一个明条纹，其光程差 C
3、A+AD 必等于波长的整数倍，即：sindim（1）式中， 为入射光的波长。当入射光和衍射光都在光栅法线同侧时， （1）式括号内取正号，在光栅法线两侧时， （1）式括号内取负号。如果入射光垂直入射到光栅上，即 i=0，则（1）式变成：（2） sinmd这里，m=0， 1，2，3，m 为衍射级次， m 第 m 级谱线的衍射角。图 1 光栅的衍射A B C G F i2用最小偏向角法测定光波波长如图 2 所示，波长为 的光束入射在光栅 G 上，入射角为 i，若与入射线同在光栅法线 n 一侧的 m 级衍射光的衍射角为沪，则由式 (1)可知（3）sindim若以表示入射光与第 m 级衍射光的夹角，称为
4、偏向角，（4）i显然，随入射角 i 而变，不难证明 时为一极小值，记作 ，称为最小偏向角。并且仅在入射光和衍射光处于法线同侧时才存在最小偏向角。此时（5）2i带入式（3）得m=0，1，2， (6)2sindm由此可见，如已知光栅常数 d，只要测出了最小偏向角 ，就可根据式(6)算出波长 。【实验仪器】1。分光计 分光计的结构和调整方法见 4.3 节。在本实验的各项任务中，为实现平行光入射并测准光线方叫位角，分光计的调整应满足:望远镜适合于观察平行光，平行光管发出平行光，并且二者的光轴都垂直于分光计主轴。2。光栅如前所述，光栅上有许多平行的，等距离的刻线。在本实验中应使光栅刻线与分光计主轴平行。
5、如果光栅刻线不平行于分光计主轴，将会发现衍射光谱是倾斜的并且倾斜方向垂直于光栅刻痕的方向不平行于分光计方向，但谱线本身仍平行于狭缝。显然这会影响测量结果。通过调整小平台，可使光栅刻痕平行于分光计主轴。为调节方便,放置光栅时应使光图 2 衍射光谱的偏向角示意图 图 3 光栅衍射光谱光栅 G 在小平台上的位置平 行 光望 远 镜 物 镜黄 绿 紫 黄 绿 紫中 央 明 纹栅平面垂直于小平台的两个调水平螺钉的连线。3水银灯1 水银灯谱线的波长水银灯谱线的波长颜色 紫 绿 黄 红404.7 491.6 577.0 607.3407.8 546.1 579.1 612.3波长/nm 410.8 623.
6、4433.9 690.7434.8435.82.水银灯光谱图汞灯的多级衍射光谱3.使用水银灯注意事项l)水银灯在使用中必须与扼流圈串接，不能直接接 220V 电源，否则要烧毁。2)水银灯在使用过程中不要频繁启闭，否则会降低其寿命。3)水银灯的紫外线很强，不可直视。【实验内容】(1)调整分光计和光栅以满足测量要求。(2)在光线垂直入射的情形下，即 i=0 时，测定光栅常数和光波波长。调整光栅平面与平行光管的光轴垂直。平行光垂直入射于光栅平面，这是式(2)成立的条件，因此应做仔细调节，使该项要求得到满足。调节方法是:先将望远镜的竖叉丝对准零级谱线的中心，从刻度盘读出入射光的方位(注意:零级谱线很强
7、，长时间观察会伤害眼睛，观察时必须在狭缝前加一两层白纸以减弱其光强)。再测出同一 m 级左右两侧一对衍射谱线的方位角，分别计算出它们与入射光的夹角，如果二者之差不超过 a角度，就可认为是垂直入射。课前由式(2)推导出 d 和 的不确定度公式。为了减少测量误差，应根据观察到的各级谱线的强弱及不确定度的公式来决定测量第几级的 较为合理。mA用 推导 d 的不确定度sinmdd= /sinmll()n1dmn1dcosl1inmmdtg222()()tg021()mdtg1mdtB 的不确定度 = sinmsin/mlll()d1dcos1inmtgl1222()()mt平 行 光 管 光 栅 望
8、远 镜a b c光栅 G 在小平台上的位置 光栅调节示意图0m221()mdtgsin/m所以，m 越大， 、 越小。在可能看清的情况下，m 取的越大，测得的值误d差越小。测定 。光线垂直于光栅平面入射时，对于同一波长的光，对应于同一 m 级左右两侧的衍射角是相等的。为了提高精度，一般是测量零级左右两侧各对应级次的衍射线的夹角 2，如图所示。测量时应注意消除圆度盘的偏心差。m求 d 及 。已知水银灯绿线的波长 ，由测得的绿线衍射角 求出光栅常 4 546.1nmm数 d。再用已求出的 d 测出水银灯的两条黄线和一条最亮的紫线的波长，并计算 d 和 的不确定度。（3）在 时，测定水银灯光谱中波长
9、较短的黄线的波长。15i使光栅平面法线与平行光管光轴的夹角(即入射角) 等于 ，同时记下入射光方位和光150栅平面的法线方位。调整方法自拟，课前考虑好。可以借助用平面镜与光栅平面平行进行调节。先固定外刻度盘转动内盘（内盘小平台不与内盘发生相对移动） 。预转 ，然后看十字叉丝是否与叉丝对齐后读方位15与初始方位的差即为入射角的值。测定波长较短的黄线的衍射角 。与光线垂直入射时的情况不同，在斜入射的情况下，m对于同一波长的光，其分居入射光两侧且属同一级次的谱线的衍射角并不相等，因此，其只能分别测出。m根据上述读数，判断衍射光线和入射光线位居光栅平面法线同侧还是异侧。确定 m 的符号并用已求出的 d
10、 计算出水银灯光谱中波长较短的黄线的波长 。(4)用最小偏向角法测定波长较长的黄线的波长( 选做)。确定 的方法与确定三棱镜的最小偏向角的方法相似。改变入射角，则谱线将随之移动，找到黄光某一条谱线与零级谱线的偏离为最小的方位后，就可由该谱线的方位及零级谱线的方位(即入射光的方位 )测出最小偏向角 。实际测量时，为提高测量精度，可测出 2 。方法是：先找到黄光中与入射线位居光栅平面法线同侧的某一条谱线，改变入射角，当其处于最小偏向角位置时，记下该谱线的方位; 然后，以平行光管的光轴为对称轴，通过转动小平台，使光栅平面的法线转到对称位置上，在入射线的另一侧，对应级次的衍射线亦同时处于最小偏向角位置
11、，记下其方位，前后两种情况下衍射线的夹角即为 2 。利用已测出的 d 和式(6)即可求出水银灯光谱中波长较长的黄线的波长，并与实验任务2 中得到的实验结果相比较。【数据处理】1 时，测定光栅常数和光波波长；i光栅编号： 2 ； 1 ；入射光方位 16412 ； 33423 ；仪 1020波长nm 黄 1 黄 2 546.1 紫衍射光谱级次 m 2 2 2 3游标 左侧衍射光方位 左 36430 18425 36437 18431 36327 18318 36724 18719右侧衍射光方位 右 32417 14412 32410 1446 32525 14518 32128 141232m左
12、右4013 4013 4026 4025 382 380 4556 45564013 4026 381 4556m207 2013 190 2258A. 用 的数据求 d；546.1nsimd= = 2x546.1/sin190 nm =3354.7 nm /i2m左 右= = = =2.057 rad22()()左 右 /601840=8.4nm221()mdtgd = (3354.7+8.4) nmB. 求黄光 1 的波长（理论值 579.1nm）sinm= =3354.7x sin207 /2=592.9 nm1/d2211()mtg64720.1.0571=5.91()()353tg
13、70.261(.)nmC. 求黄光的波长（理论值 577.0nm）2sin/md6 73.2510si3/ =5.10m 22()mtg64720.1.0571=5.1()()353tg 70.26(.)nD. 求紫光的波长（理论值 435.8nm）3sin/md6 73.2510si37/4 =.510m 23()mtg64720.1.0571=4.51()()353tg 70.23(.)n经计算得：光 黄 1 黄 2 绿 紫理论值 /nm 579.1 577.0 546.1 435.8测量值 /nm 579.0 0.3577.1 0.3435.4 0.2相对偏差 0.017% 0.017%
14、 0.023% 时，测量波长较短的黄线的波长0i=15光栅编号： 28 ；光栅平面法线方位 7016 ； 250 16 。1n2n游标 入射光方位 0入射角 ii 8516 150 25616 150150光谱级次 游标 左侧衍射光方位 左 衍射角 m左 m左 同（异）侧 10734 37182 28734 37183718 异光谱级次 游标 右侧衍射光方位 右 衍射角 m右 m右 同（异）侧 556 15103 2356 15101510 同= sindimsin/di(m 的符号与 的正负号一致，括号中的正负是同侧取正异侧取负)sinllildm， ，1cosinilncosinil1m2
15、222()()()sisind iiA. 用光谱级次 m=3 求 = /3= msin/im63.510(i510i)75.610472 2226.75.610()(coscs5)sinsi= m7.4(.)同B. 用光谱级次 m=2 求 = /2= msin/di63.2510(sin378si150)7.610472 2226. .5.610() (cos38cs5)sisin = m7.4(57.10)nm异 6.92同 异= 5.052()()同 异同 异 4100.29nm(57.)谱线级次 m 同（异）侧 测得的 /nm理论值/nm 相对偏差2 异 5771 0.5577.0 00
16、17%3 同 576.7 0.4 577.0 0052%平均 579.1 577.0 0017%3选做（最小偏向角法）先找到黄光中与入射线位居光栅平面法线同侧的某一条谱线，改变入射角，当其处于最小偏向角位置时，记下该谱线的方位;然后，以平行光管的光轴为对称轴，通过转动小平台，使光栅平面的法线转到对称位置上，在入射线的另一侧，对应级次的衍射线亦同时处于最小偏向角位置，记下其方位，前后两种情况下衍射线的夹角即为 2 。光谱级次 游标 谱线方位 0对称后对应方位 1102 6514 10520 4062 14514 28520 406406，m=2sindm= =3.325 =5.787 m2620
17、31sin710lnlsidl1col12sintg221()dtg647220.1.0571=5.81()()335tg = m70.4(.)n与理论值的偏差： =0.069%,此时的误差较 时测量的误(5918.70%i差大了不少。【思考题】1. 测 d 和 时，实验要保证什么条件？如何实现？要调节望远镜光轴分光计主轴当平面镜法线与望远镜光轴平行时， 形反射像与 形叉丝的上交点完全重合，将小平台旋转 180之后，如果仍然完全重合，则说明望远镜光轴已垂直于分光计主轴了。调节方法是采用渐近法 即先调小平台下的螺钉使 形反射像与 形叉丝的上交点之间的距离减小一半，再调望远镜的调水平螺钉使它们重合，然后转动小平台 180，重复以上步骤。调整光栅平面与平行光管的光轴垂直。调节方法是:先将望远镜的竖叉丝对准零级谱线的中心，从刻度盘读出入射光的方位，再测出同一 m 级左右两侧一对衍射谱线的方位角，分别计算出它们与入射光的夹角，如果二者之差不超过 a角度，就可认为是垂直入射。 2. 分析 与 与的关系。/d/A用 推导 d 的不确定度sinmd= /sinmll()dn1mdcosl1inmmtg2221()()dtg
