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光栅特性与激光波长

实验室和教师介绍

实验室位于光华楼西辅楼805A室

实验简介

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的与不透明的条纹组成的一维光栅。此外，有各种平面点阵或网络构成的二维光栅 、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的关系，可构成光栅光谱仪，它比棱镜光谱仪的分辩率更高，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。用连续谱的X射线照在NaCl晶体（三维光栅）上衍射出现主极强的亮斑。历史上,生物分子的DNA螺旋结构就是首先用X光衍射的方法揭示的.

实验目的、意义和要求

实验原理

透射光栅由大量相互平行、等间距又等宽的透明狭缝组成。透明区宽度与不透明区宽度之和d是该光栅的周期，它决定了光栅的基本性质，一般称为光栅常数。当波长为λ的光束垂直入射到一块周期为d的光栅上时，通过各透明区（即光栅缝）的透射光将在各个方向发生衍射，如图所示。

若θ角满足条件dsinθ=Kλ （K=0，±1，±2，……） (1)

这些衍射光都是同相位的，因此，在衍射角（光栅的法线与衍射光的夹角称为衍射角）为θ方向的中心处看到亮斑。

光栅作为一种色散元件，其基本特性可用色散率D来描述，角色散率定义为同一级光谱中，单位波长间隔的两束光束光被分开的角度，即D=Δθ/Δλ (2)

将（1）式微分即可得：D=dθ/Δλ =K/dcosθ （3）

由此可知， 光栅常数越小（即光栅各缝越紧密），其角色散率越大，即两个波长差很小的光谱线被分开的角度越大；同时，光谱线的级次K越高，角色散也越大。

主要器材

附表格

序号仪器设备/测量工具型号 最小分度 不确定度限值参考文献备注
1钢尺 15cm 1mm 0.1mm [1]P14
1钢尺 30cm 1mm 0.15mm [1]P14
1钢尺 100cm 1mm 0.2mm [1]P14
2游标卡尺 精度1/50 0.02mm 0.02mm [1]P14
3千分尺 25mm 0.01mm 0.004mm
4读数显微镜 50mm 0.01mm 0.02mm [1]P88

参考文献: 《基础物理实验》沈元华、陆申龙主编 北京 高等教育出版社 2003年12月

实验内容

  1. 测量未知光波波长λ
  2. 测量光栅常数d
  3. 观察衍射现象

注意事项

  1. 小心激光
  2. 手不要触摸光栅

实验报告要求

  1. 写明本实验的目的和意义。
  2. 阐述实验的基本原理和实验内容及其步骤。
  3. 记录所用的仪器。
  4. 记录实验的全过程，包括实验步骤、各种实验现象等。
  5. 讨论实验中出现的各种问题。
  6. 提出改进意见。

实验思考题

  1. 本实验用的光栅是刻在或贴在一块平面玻璃基板上的.实验中,将光栅的正面或反面对着入射光,对实验结果有何影响?
  2. 使用公式(1)要满足什么条件?实验中是如何保证的?如何判断这些条件已经具备?
  3. 试导出平行光斜入射时的光栅方程?
  4. 公式(2)和(3)有何区别与联系?

资料下载

光栅特性与激光波长告示牌(第8版)

问题与讨论

  1. 2013年问题与讨论进入
  2. 2012年问题与讨论进入
  3. 2011年以前的问题与讨论

参考书籍与资料