第二篇：大学物理实验不同光源光栅的衍射
物理实验报告
实 验 名 称： 不同光源的光栅的衍射
学 院、 系： 信息工程学院
专 业 (方 向)： 电子信息工程（1）班
年 级、 班： 20##级
学 生 姓 名： 李俊峰陈凤莉¶¶¶¶
指 导 教 师： 刘 浩
2013 年 12 月 18日
不同光源的光栅的衍射
一、报告摘要：
分光计是一种精确测量光线偏转角度（如反射角、折射角、偏向角、衍射角等）的光学仪器。通过角度的测量，可以测定材料的折射率、光栅常数、光波长、色散率等许多物理量。分光计装置较精密，结构较复杂，调节要求也较高，对初学者来说有一定难度，要注意掌握其基本结构和测量原理，严格按调节要求和步骤耐心操作。熟悉分光计的调节方法，对使用其它精密光学仪器（如单色仪、摄谱仪等）具有重要的指导意义。
光栅是一种折射率周期性变化的光学元件。最常用的光栅是由大量等宽、等间距的平行狭缝组成的，通常是在一块平面玻璃上用金刚石刻制、复制或用全息照相等方法制成。 光栅是一种重要的分光元件，常被用来精确地测定光波长及进行光谱分析。以衍射光栅为色散元件组成的摄谱仪和单色仪是物质光谱分析的基本仪器之一。光栅衍射原理也是晶体X射线结构分析和近代频谱分析与光学信息处理的基础
本文主要利用光栅与分光计对不同光源（红色、绿色、蓝色，白色，黄色，红色激光）的光谱进行分析测量。
二、实验目的：
1、学会使用PS对光谱的拼接
2、了解几种常用光源的波长范围。
3、了解几种常用光源的发光原理。
4、通过观察分析各种光谱的谱线特点。
三、实验原理：
图一光栅衍射
若将平行光垂直照射在光栅上，光栅衍射明纹的条件是衍射角φ必须满足下列关系：
, 
式中
称为光栅常数，=
，
为每毫米上狭缝数目，λ为入射光波长，k为谱
线级数，φk为k级谱线对应的衍射角。若已知N，并测出衍射角φk，即可求得波长λ。
若入射光为几种不同波长的光，则由光栅方程可知，除中央明纹相互重叠外，其它每一
级谱线都因对应的衍射角不同而相互分开。本实验不同光源发出紫、蓝、绿、黄1、黄2、红不同波长的可见光。
3. 仪器概述
图二 分光计
4、仪器调节要求及技巧
1） 分光计的调整要求：
（1）使望远镜对平行光(即无限远)聚焦，成像在分划板上，望远镜的光轴与分光计中心轴垂直；
（2）使平行光管射出平行光，光轴与望远镜光轴等高同轴，并垂直于分光计中心轴。
2）分光计的调整方法：
（1）粗调。用肉眼观察，调节平台、望远镜筒、平行光管都初步达到水平状态，为进一步的细调打下基础。
（2）用自准法调望远镜对平行光聚焦。将双反平面镜放在平台上并与望远镜光轴目测垂直，为了便于调节，放置平面镜时应使平面镜与平台下的3个调节螺钉中的两个平行，如图4.2.7所示，调节平面镜的俯仰只需调A螺钉。点亮目镜下的小灯，然后转动目镜，先看清分划板上的叉丝，再伸缩目镜筒使十字窗的像十分清晰，并用视差法检查(上下或左右移动眼睛，像与十字线无相对位移)，使十字窗与其反射像之间无视差。由自准直的原理可知，望远镜已经调焦至无限远了或称望远镜能接收平行光，以后目镜不要再调。
（3）调望远镜光轴与分光计中心轴相互垂直。
为了测准角度，必须使望远镜的光轴和平行光管的光轴都与刻度盘平行，而刻度盘在制造时已垂直于分光计中心轴。因此，当它们的光轴与分光计中心轴垂直时，就达到与刻度盘平行的要求。如果望远镜的光轴严格垂直于平面镜，那么十字窗的像就与分划板上部的叉丝完全重合，见图三。如果不重合，一般情况是望远镜和平面镜都有倾斜。可用“分部调节法”进行调整：
（a）先调望远镜高低，首先观察从平面镜的I表面反射的十字窗的像与上部叉丝线的距离，然后将平台转动180°，观察从平面镜的Ⅱ表面反射的十字窗的像与上部叉丝的距离，然后调节望远镜俯仰调节螺钉，使从平面镜的Ⅰ、Ⅱ表面的反射像分别在上部叉丝上方和下方，且距离相等，即消除了由望远镜倾斜产生的偏离。
图三
（b）然后调平台的螺钉A，使反射像与上部十字线完全重合，即消除了由平面镜倾斜(即平台AA′方向不垂直于分光计中心轴)产生的偏离；
（c）可以进行一次检查，转动平台180°，如果未达到实验要求，可重复上述步骤（a）和（b）即可完全达到要求。
（4）调整平行光管。取下平面镜并关闭望远镜上的照明灯。用已调好的望远镜来调节平行光管。调整方法如下：
（a）从侧面和俯视两个方向用目视法把平行光管光轴大致调节到与望远镜光轴相一致；
（b）打开狭缝，用光源将狭缝照明，从望远镜中观察，同时伸缩狭缝筒，直到看见清晰的狭缝像且与叉丝线无视差，这样平行光管发出的光即为平行光。然后调整缝宽约1毫米；
（c）转动狭缝呈水平状，调节平行光管的俯仰，使狭缝的像与分划板上的叉丝的中心水平线重合，这样平行光管的光轴就与分光计中心轴垂直。在测量时将狭缝转动呈竖直状，并要使狭缝像仍保持清晰。
四、实验过程：
1. 把分光计调整到实验要求的状态。
2. 在分光计平台上放置光栅。
3. 调整光栅使其狭缝与分光计中心轴平行。绕分光计的竖直中心轴转动望远镜，观察不同光源谱线分布情况。
4. 先给光谱找一个零点的位置并记下此刻游标盘的读数。
5．测量衍射角。转动望远镜，从零点位置开始向右，依次测出K=1级的紫、蓝、绿、黄1、黄2、红的角度，在叉丝接近谱线时，要微动望远镜使竖叉丝线与谱线中心重合，然后读数。
6、处理数据，并记入表格。
五、实验仪器：
图四
六、实验现象及分析
红灯下的光栅的衍射
橙：123°32′黄1:122°49′蓝紫：117°45′ 蓝紫：88°28′黄2:81°55′橙：81°33
黄2:122°51′绿:121°15′深紫：116°14′ 深紫：88°52′绿：83°30′黄1:81°28
表1 红色光源谱线测量数据
零点位置：102°0′
谱线颜色 深紫色 蓝紫色 绿色 黄1 黄2 橙黄色
角度值 116°14′ 117°45′ 121°15′ 122°49′ 122°51′ 123°32′
角度差 14°14′ 15°45′ 19°15′ 20°49′ 20°51′ 21°32′
Sin值 0.245871 0.271440 0.329691 0.355379 0.355923 0.367042
计算波长(nm) 409.79 452.40 549.48 592.30 593.20 611.74
标准波长(nm) 404.66 435.84 546.07 579.07 576.96 607.26
红色光源的衍射光谱中，红色区最为明亮，其中一些原因是灯内紫外线辐射激发荧光粉的产物，虽然降低了蓝紫区谱线的分辨率，但总体看来谱线还是清晰准确的。
人眼对蓝色光较为敏感，纵观蓝色节能灯的谱线特征，它们在整个视野范围内明亮清晰，蓝绿色区紫外线照射荧光粉发出的连续光谱，形成了望远镜蓝绿色视野中良好的背景光，它使望远镜叉丝在整个范围内清晰可辨，非常方便蓝色节能灯各个特征谱线的定位测量工作。
绿灯下的光栅的衍射
橙：124°52′黄1:123°06′蓝紫：117°53′ 蓝紫：87°28′黄2:81°19′橙：81°33
黄2:123°10′绿:122°15′深紫：116°56′ 深紫：88°52′绿：83°30′黄1:81°15
表2 绿色光源谱线测量数据
零点位置：102°0′
谱线颜色 深紫色 紫色 绿色 黄1 黄2 橙黄色
角度值 116°56′ 117°53′ 122°15′ 123°06′ 123°10′ 124°52′
角度差 14° 56′ 15°53′ 20°15′ 21°06′ 21°10′ 22°52′
Sin值 0.257695 0.273679 0.346117 0.359997 0.361082 0.388588
计算波长 429.49 456.13 576.86.90 599.99 501.80 647.64
标准波长 404.66 435.84 546.07 579.07 576.96 623.44
绿色光源的衍射光谱分立性较差，其存在谱带的原因是在固体中原子与原子之间结合较紧密，电子云发生重叠，能级与能级之间距离很小形成能带。在能带中，能级可以近似看作是局部连续的，于是当处于高能态的电子跃迁到基态时，发出的辐射能量可以近似看作是局部连续的，便形成了带状的光谱。在适当情况下，甚至能形成连续谱。
蓝灯下的光栅的衍射
橙：125°03′黄1:123°50′蓝紫：118°16′ 蓝紫：87°28′黄1:82°01′橙：80°53
黄2:123°54′绿:123°15′深紫：117°53′ 深紫：88°52′绿：83°30′黄2:81°52
表3 蓝色光源谱线测量数据
零点位置：102°0′
谱线颜色 深紫色 紫色 绿色 黄1 黄2 橙黄色
角度值 117°53′ 118°16′ 123°15′ 123°50′ 123°54′ 125°03′
角度差 15° 53′ 16°16′ 21°15′ 21°50′ 21°54′ 23°03′
Sin值 0.273679 0.280108 0.362438 0.371908 0.372988 0.391534
计算波长 456.13 466.85 604.06 619.85 621.65 652.56
标准波长 404.66 435.84 546.07 579.07 576.96 623.44
白灯下的光栅的衍射
橙：121°30′黄1:120°50′蓝紫：114°16′ 蓝紫：79°28′黄1:77°01′橙：76°01
黄2:120°54′绿:118°15′深紫：113°53′ 深紫：80°52′绿：78°30′黄2:76°52
表4 白色光源谱线测量数据
零点位置：102°0′
谱线颜色 深紫色 紫色 绿色 黄1 黄2 橙黄色
角度值 113°53′ 114°16′ 118°15′ 120°50′ 120°54′ 121°30′
角度差 11° 53′ 12°53′ 16°15′ 18°50′ 18°54′ 19°30′
Sin值 0.205920 0.222967 0.279829 0.322816 0.323917 0.333806
计算波长 343.20 371.61 466.38 538.03 539.86 556.34
标准波长 404.66 435.84 546.07 579.07 576.96 623.44
日光灯的灯光只有特定的光谱，是非连续的。从上图可以看出日光灯的红，绿，蓝光比较强，类型于电脑显示器上的RGB三原色，三种颜色光强相近，使得合成的光接近于白色。
黄灯下的光栅的衍射
橙：123°30′黄1:122°20′蓝紫：117°16′ 蓝紫：87°28′黄1:82°01′橙：80°01
黄2:122°54′绿:121°15′深紫：116°53′ 深紫：88°52′绿：83°30′黄2:82°52
表5 黄色光源谱线测量数据
零点位置：102°0′
谱线颜色 深紫色 紫色 绿色 黄1 黄2 橙黄色
角度值 116°53′ 117°16′ 121°15′ 122°20′ 122°54′ 123°30′
角度差 14° 53′ 15°16′ 19°15′ 20°20′ 20°54′ 21°30′
Sin值 0.256852 0.263312 0.279829 0.329691 0.356738 0.366501
计算波长 428.09 438.85 549.48 579.14 594.56 610.84
标准波长 404.66 435.84 546.07 579.07 576.96 623.44
黄色日光灯的光谱有8条可见，分立性较好，其中第3条光谱到第5条之间谱线非常密集，光强相对较弱，且在此范围内的谱线为土黄色，与黄色背景光区分度较差。
黄色日光灯的光谱由条分立性较好且密度较大的谱线构成。在基础物理实验中，可用黄色日光灯代替钠灯，并不影响学生学习掌握测量光谱波长的方法。同时，可以很大程度上降低实验成本。
红色激光灯下的光栅的衍射
红色：125°05′ 零点位置：102°0′ 红色：79°20′
计算波长：λ=653.45 nm
数据处理：
如以上实验原理可知若将平行光垂直照射在光栅上，光栅衍射明纹的条件是衍射角φ必须满足下列关系：
,
式中称为光栅常数，=，为每毫米上狭缝数目，λ为入射光波长，k为谱
线级数，φk为k级谱线对应的衍射角。
则待测的波长 
。计算各谱线的波长。
七、实验分析
在做实验的过程中，我们刚开始没有意识到周围光和彩色灯自身反射回来的光对光谱的影响，照相过程中也失败了很多次，但最终通过努力得出实验结果。
1. 人眼对蓝光比绿、红两种灯光更加敏感。
2. 由于彩色灯自身反射回来的光对光谱的影响，实验中需用纸片堵住灯源其它可能散射出光的部位以避免干扰实验结果。
3．平行光未能严格垂直入射光栅将形成误差，常用的对称测盘法只能消除误差的一阶修正项，仍存在二阶修正项误差。
八、参考书&资料附录：
[1] 《物理》1955年04期
[2] 《物理学》（第五版）下册,高等教育出版社
[3] 《普通物理实验》马葭升,陈国英,江一德等. [M].上海：华东师范大学出版社1992
[4] 《中国教育科研论坛》20##年12期