分光計的調(diào)整及光柵衍射實驗

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1、分光計的調(diào)節(jié)與應(yīng)用——光柵衍射法測光波波長分光計是一種精確測量角度的光學(xué)儀器。利用它不但能測出反射角、透明介質(zhì)的折射角、光柵的衍射角、棱鏡的頂角、劈尖的角度，從而確定與這些角度有關(guān)的物理量，如折射率、光波波長、色散率、光柵常數(shù)等，而且它的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)方法與其它一些光學(xué)儀器（如攝譜儀、單色儀等）相類似。因此，有必要掌握分光計的調(diào)整和使用方法?！緦嶒?zāi)康摹?.了解分光計的主要構(gòu)造及各部分的作用。2.掌握分光計的調(diào)節(jié)要求和使用方法。3.觀察光柵衍射現(xiàn)象，測量汞燈在可見光范圍內(nèi)幾條強光光譜線的波長。【儀器用具】JJY型分光計、汞燈及電源、透射式平面刻痕光柵、平面反射鏡【實

2、驗原理】1.光柵衍射的原理光的衍射現(xiàn)象是光的波動性的一種表現(xiàn)，它說明光的直線傳播是衍射現(xiàn)象不顯著時的近似結(jié)果。研究光的衍射不僅有助于加深對光的波動特性的理解，也有助于進(jìn)一步學(xué)習(xí)近代光學(xué)實驗技術(shù)，如光譜分析、晶體結(jié)構(gòu)分析、全息照相、光學(xué)信息處理等。光柵是根據(jù)多縫衍射原理制成的一種分光元件，它能產(chǎn)生譜線間距較寬的勻排光譜。光柵不僅適用于可見光，還能用于紅外和紫外光波，常用在光譜儀上。光柵在結(jié)構(gòu)上有平面光柵、階梯光柵和凹面光柵等幾種，從觀察的方向又分為透射式和反射式兩類。本實驗選用透射式平面刻痕光柵。透射式平面刻痕光柵是在光學(xué)玻璃片上刻劃大量相互平行、寬度和間隔相等的

3、刻痕而制成的。光柵上的刻痕起著不透光的作用，光線只能在刻痕間的狹縫中通過，因此，光柵實際上是一排密集、均勻而又平行的狹縫，刻痕間的距離稱為光柵常數(shù)。如圖15-1所示，設(shè)有一光柵常數(shù)d?AB的光柵G，一束平行光以入射角i(入射光與光柵法線的夾角)，入射于光柵上產(chǎn)生衍射，衍射角為?(衍射光與光柵法線的夾角)。從B點作BC垂直于入射線CA，作BD垂直于衍射線AD，則這兩條相鄰的入射光線的光程差為CA+AD。如果在這個方向上由于光振動的加強而在F處產(chǎn)生一個明條紋，則光程差CA+AD應(yīng)等于波長的整數(shù)倍，即：圖15-1光柵的衍射d(sin??sini)?K?K?0，?1,2

4、,?,(15-1)（15-1）式就是光柵方程式。式中d是光柵常數(shù)，?是入射光的波長，K是光譜的級次。當(dāng)入射光線與衍射光線都在光柵法線的同側(cè)時，(15-1)式等式左邊括號內(nèi)取正號，兩者分居法線異側(cè)時取負(fù)號，K的符號取決于光程差的符號。若平行光垂直照射到光柵上，則i=0，(15-1)式變成：dsin??K?K?0,?1,?2?（15-2）K式中，?為第K級譜線的衍射角。K如果入射光不是單色光，由（15-2）式可以看出，光的波長不同，其衍射角?也各不相同，K于是復(fù)色光將被分解，而在中央K?0，??0處，各色光仍重疊在K一起，組成中央明條紋。在中央明條紋兩側(cè)對稱地分布著

5、K??1,?2?級光譜，各級光譜線都按波長大小的順序依次排列成一組彩色譜線，這樣就把復(fù)色光分解為單色光。如圖15-2所示。如果已知光柵常數(shù)d，用分光計測出K級光譜中某一明條紋的衍射角?，按（15-2）式就可以計算出該K明條紋所對應(yīng)的單色光的波長?。光柵作為一種色散元件，其基本特性可用分辨率R和色散率D來表征。分辨率R定義為兩條剛可被分開的譜線的波長差??除該波長?。即：?R?（15-3）??理論上可證明：圖15-2光柵衍射光譜示意圖R?KN（15-4）式中，N是被入射平行光照射的光柵的總刻痕數(shù)。由于衍射光強隨衍射角增大而減弱，故級數(shù)K不會高，所以光柵的分辨率主要

6、由狹縫總數(shù)目N決定。光柵的色散能力用角色散率（簡稱色散率）D表示。它是同級光譜中兩條波長相近的譜線偏向角之差??與二者波長差之比：??D?（15-4）??對（15-2）式微分，即得色散率為：KD?（15-5）dcos?因為與同一級內(nèi)各譜線波長對應(yīng)的偏向角變化不大，所以cos?近似為常數(shù)，各光譜線之間的??與相應(yīng)的??成正比，光柵的???色散曲線近似直線。這也說明了光柵光譜的勻排特點。2.自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的原理用分光計測量角度，是根據(jù)光的反射和折射定律測量入射光和出射光的方位角而實現(xiàn)的。要達(dá)到測量的目的，分光計必須滿足以下三個要求：①望遠(yuǎn)鏡能觀察平行光；②平行光管能發(fā)

7、射平行光；③望遠(yuǎn)鏡的光軸和平行光管的光軸與儀器轉(zhuǎn)軸垂直。為此，分光計上裝有能產(chǎn)生平行光的平行光管，能接收平行光的望遠(yuǎn)鏡，以及能承載光學(xué)元件的載物平臺，這三者的方位都能利用各自的調(diào)節(jié)螺釘作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了測出角度，還配有讀數(shù)用的刻度盤和游標(biāo)盤。它們構(gòu)成了分光計的主要部件。分光計的望遠(yuǎn)鏡使用的是阿貝式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡，所謂自準(zhǔn)直就是利用光學(xué)成像原理使物和像都處在同一個平面上的方法，自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡是利用無限遠(yuǎn)的物經(jīng)平面鏡反射仍成像在無限遠(yuǎn)這個成像原理實現(xiàn)自準(zhǔn)直的。圖15-3為阿貝式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)圖，其主要部件為一包括目鏡和雙十字分劃板等光學(xué)部件的自準(zhǔn)直目鏡，要實現(xiàn)自準(zhǔn)直

8、，須先將貼著分劃板的綠十