实验十九 用透射光栅测光波波长及角色散率
衍射光栅是一种分光元件,由于其基质材料不同而有透射光栅和反射光栅两类。它们都相当于一组数目很多,排列紧密,均匀的平行狭缝,透射光栅是用金刚石在一块平面玻璃上刻划而成的。反射光栅则是刻划在精研过的硬质金属面上,用这种方法刻制的光栅,由于要求非常精密,因而制造困难,所以价格非常昂贵,而平常所用的光栅大都是复制品。如今由于单色性好的激光的出现,应用其干涉原理制成了全息光栅,制造容易,价格便宜,从而使得光栅摄谱仪在现代技术上有极其广泛的应用,光栅实验也得以普及。本实验用的光栅是一块透射光栅。
一、实验目的
1.了解分光计的结构,学会正确的调整方法; 2. 加深对光的衍射理论及光栅分光原理的理解; 3. 学会用透射光栅测定光波波长、光栅常数及角色散率。
二、实验原理
1. 光栅衍射及光波波长的测定 根据夫琅禾费衍射理论,若以单色平行光垂直地入射到透射光栅上(如图1所示),当满足光栅方程:
d sin θ=k λ (k =0, ±1, ±2, ……) (1)
时,θ方向的光将加强,其它方向的光将减弱甚至完全抵消。式中θ是衍射角,d 是缝距又常称
为光栅常数(d = a + b ,其中a 是刻痕宽度,b 为狭缝宽度),k 为衍射光谱的级数,λ是光的波长。如果用会聚透镜将这些衍射后的光会聚起来,可以在透镜的焦平面上看到衍射后的光谱。
由光栅方程可知,对于所有波长的光,其零级谱线都在θ=0的方向上,其它各级谱线对称地分布在零级条纹两侧。当已知光栅常数d 时,只要测出第 k 级(实验中取k =1) 谱线的衍射角θ ,就可以求得产生衍射的光波的波长λ 。反之,入射光波长λ 已知,通过测定衍射角θ ,
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图1 光栅衍射原理图
图2 光栅光谱示意图
便可求出光栅常数d 。
2. 光栅的角色散率
如果光源中包含几种成份的光波,根据衍射方程,在同一级谱线(除零级外) 中,不同波长的光波就有不同的衍射角θ,从而在同一级谱线中形成多条单色谱线,如图2所示。对于第k 级谱线,设相邻两单色谱线对应的波长差为Δλ,衍射角之差为Δθ ,定义该光栅在θ方向的角色散率D为
D =
Δθ
(2) Δλ
角色散率是表征光栅基本特性的物理量之一,对(1)式两边求微分,并结合(2)可得
D =
k
(3)
d cos θ
如果已知衍射级次k 和光栅常数d , 通过测出衍射角θ ,即可求出该衍射方向的角色散率D 。
三、实验仪器
JJY型1′分光计、光栅 、汞灯、手持照明放大镜、光学双面反射镜。 四、实验内容和步骤 1、分光计的调节
分光计的调节步骤是:(1)调节望远镜聚焦于无穷远处;(2) 使望远镜光轴垂直于分光计转轴;(3) 平行光管产生平行光且光轴垂直于分光计转轴。具体的调节方法参阅分光计的调节和使用。
2、光栅的调节
(1)调节光栅平面使之平行于仪器转轴并垂直于平行光管光轴
先将望远镜叉丝对准平行光管狭缝,并固定望远镜。按图
3所示的位置放置光栅,尽可能做到光栅平面垂直平分Z 1 Z 2 ,转动读数圆盘,并调节螺钉Z 1 、Z 2 直至望远镜中从光栅平面反回来的叉丝像(“十”字亮线)与叉丝(望远镜目镜分划板上“十”型刻线上部“十”字线)重合;把平台连同光栅转过1800,重复以上步骤,如果这两个位置上两组叉丝都重合,至此光栅平面与仪器转轴平行,并垂直于平行光管,随即固定圆盘。
(2)调节光栅使其刻痕与转轴平行
转动望远镜,一般就可以看见一级谱线,分别位于零级两侧,注意观察叉丝交点是否在各条谱线的中央,如果不是,可调节图3中的螺丝Z 3(注意不要再动Z 1 、Z 2)。调好后再回
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图3 光栅在载物台上放置位置俯视示意图
头检查光栅平面是否仍保持和转轴平行,如果有了改变,就要反复多次调节,直到(1)、(2)两个要求都满足为止。
3、测光栅常数、光波波长及角色散率 (1)测光栅常数
转动望远镜(注意游标盘不能与度盘及望远镜连动)分别测出中央亮条纹两侧的绿谱线(汞灯的绿谱线波长λ=546.1nm )的第一级衍射角所对应的角位置,则其第一级衍射角为: ,重复进行二次,取平均值,代入(1)式求得光栅常数d 。 θ1=1+1−θ−1
(2)测光波波长
转动望远镜,观测紫光的第一级谱线,测出其对应的角位置,利用已测出的光栅常数d ,就可算出紫光的波长。重复二次,取平均值,并与公认值比较,计算其测量误差。
(3)测角色散率
利用上面的方法,在 k = ±1 时测出汞灯的两条黄线λ1及λ2的衍射角θi ,代入(1)式算出λ1及λ2,再由 (2)式求出光栅的角色散率D 。 五、数据记录和处理
表一光栅常数、波长的测定
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表二光栅角色散率的测定
六、注意事项
1. 光栅表面禁止用手或其它物体触摸, 注意光栅的拿法。 2. 光栅的位置要按图3放置,调节时要注意次序。
3.测量一个角度ө的过程中,要注意游标是否越过度盘的零刻度线,如果跨越0 ,则
º
′′应按公式θ=360−[(v 2−v 2) +(v 1−v 1]) 计算。
七、思考与问答
1.在使用光栅方程时,入射光应满足什么条件? 实验中是如何实现的? 如何检查条件是否满足?
2.仍然用本实验的分光计,但给您换一光栅常数相同但刻痕数更多的光栅,能否提高分辨本领从而分开精细的谱线?
3.比较光栅和棱镜的分光原理,并分析这两种光谱的特点。
°
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实验十九 用透射光栅测光波波长及角色散率
衍射光栅是一种分光元件,由于其基质材料不同而有透射光栅和反射光栅两类。它们都相当于一组数目很多,排列紧密,均匀的平行狭缝,透射光栅是用金刚石在一块平面玻璃上刻划而成的。反射光栅则是刻划在精研过的硬质金属面上,用这种方法刻制的光栅,由于要求非常精密,因而制造困难,所以价格非常昂贵,而平常所用的光栅大都是复制品。如今由于单色性好的激光的出现,应用其干涉原理制成了全息光栅,制造容易,价格便宜,从而使得光栅摄谱仪在现代技术上有极其广泛的应用,光栅实验也得以普及。本实验用的光栅是一块透射光栅。
一、实验目的
1.了解分光计的结构,学会正确的调整方法; 2. 加深对光的衍射理论及光栅分光原理的理解; 3. 学会用透射光栅测定光波波长、光栅常数及角色散率。
二、实验原理
1. 光栅衍射及光波波长的测定 根据夫琅禾费衍射理论,若以单色平行光垂直地入射到透射光栅上(如图1所示),当满足光栅方程:
d sin θ=k λ (k =0, ±1, ±2, ……) (1)
时,θ方向的光将加强,其它方向的光将减弱甚至完全抵消。式中θ是衍射角,d 是缝距又常称
为光栅常数(d = a + b ,其中a 是刻痕宽度,b 为狭缝宽度),k 为衍射光谱的级数,λ是光的波长。如果用会聚透镜将这些衍射后的光会聚起来,可以在透镜的焦平面上看到衍射后的光谱。
由光栅方程可知,对于所有波长的光,其零级谱线都在θ=0的方向上,其它各级谱线对称地分布在零级条纹两侧。当已知光栅常数d 时,只要测出第 k 级(实验中取k =1) 谱线的衍射角θ ,就可以求得产生衍射的光波的波长λ 。反之,入射光波长λ 已知,通过测定衍射角θ ,
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图1 光栅衍射原理图
图2 光栅光谱示意图
便可求出光栅常数d 。
2. 光栅的角色散率
如果光源中包含几种成份的光波,根据衍射方程,在同一级谱线(除零级外) 中,不同波长的光波就有不同的衍射角θ,从而在同一级谱线中形成多条单色谱线,如图2所示。对于第k 级谱线,设相邻两单色谱线对应的波长差为Δλ,衍射角之差为Δθ ,定义该光栅在θ方向的角色散率D为
D =
Δθ
(2) Δλ
角色散率是表征光栅基本特性的物理量之一,对(1)式两边求微分,并结合(2)可得
D =
k
(3)
d cos θ
如果已知衍射级次k 和光栅常数d , 通过测出衍射角θ ,即可求出该衍射方向的角色散率D 。
三、实验仪器
JJY型1′分光计、光栅 、汞灯、手持照明放大镜、光学双面反射镜。 四、实验内容和步骤 1、分光计的调节
分光计的调节步骤是:(1)调节望远镜聚焦于无穷远处;(2) 使望远镜光轴垂直于分光计转轴;(3) 平行光管产生平行光且光轴垂直于分光计转轴。具体的调节方法参阅分光计的调节和使用。
2、光栅的调节
(1)调节光栅平面使之平行于仪器转轴并垂直于平行光管光轴
先将望远镜叉丝对准平行光管狭缝,并固定望远镜。按图
3所示的位置放置光栅,尽可能做到光栅平面垂直平分Z 1 Z 2 ,转动读数圆盘,并调节螺钉Z 1 、Z 2 直至望远镜中从光栅平面反回来的叉丝像(“十”字亮线)与叉丝(望远镜目镜分划板上“十”型刻线上部“十”字线)重合;把平台连同光栅转过1800,重复以上步骤,如果这两个位置上两组叉丝都重合,至此光栅平面与仪器转轴平行,并垂直于平行光管,随即固定圆盘。
(2)调节光栅使其刻痕与转轴平行
转动望远镜,一般就可以看见一级谱线,分别位于零级两侧,注意观察叉丝交点是否在各条谱线的中央,如果不是,可调节图3中的螺丝Z 3(注意不要再动Z 1 、Z 2)。调好后再回
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图3 光栅在载物台上放置位置俯视示意图
头检查光栅平面是否仍保持和转轴平行,如果有了改变,就要反复多次调节,直到(1)、(2)两个要求都满足为止。
3、测光栅常数、光波波长及角色散率 (1)测光栅常数
转动望远镜(注意游标盘不能与度盘及望远镜连动)分别测出中央亮条纹两侧的绿谱线(汞灯的绿谱线波长λ=546.1nm )的第一级衍射角所对应的角位置,则其第一级衍射角为: ,重复进行二次,取平均值,代入(1)式求得光栅常数d 。 θ1=1+1−θ−1
(2)测光波波长
转动望远镜,观测紫光的第一级谱线,测出其对应的角位置,利用已测出的光栅常数d ,就可算出紫光的波长。重复二次,取平均值,并与公认值比较,计算其测量误差。
(3)测角色散率
利用上面的方法,在 k = ±1 时测出汞灯的两条黄线λ1及λ2的衍射角θi ,代入(1)式算出λ1及λ2,再由 (2)式求出光栅的角色散率D 。 五、数据记录和处理
表一光栅常数、波长的测定
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表二光栅角色散率的测定
六、注意事项
1. 光栅表面禁止用手或其它物体触摸, 注意光栅的拿法。 2. 光栅的位置要按图3放置,调节时要注意次序。
3.测量一个角度ө的过程中,要注意游标是否越过度盘的零刻度线,如果跨越0 ,则
º
′′应按公式θ=360−[(v 2−v 2) +(v 1−v 1]) 计算。
七、思考与问答
1.在使用光栅方程时,入射光应满足什么条件? 实验中是如何实现的? 如何检查条件是否满足?
2.仍然用本实验的分光计,但给您换一光栅常数相同但刻痕数更多的光栅,能否提高分辨本领从而分开精细的谱线?
3.比较光栅和棱镜的分光原理,并分析这两种光谱的特点。
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