居家光栅衍射实验报告.docx
大学物理实验居家物理实验报告居家物理实验光栅衍射实验班级：姓名：学号：实验地点:实验日期：年 月曰一.实验目的1了解光栅栅的结构及光光学原理。ill!2.学会搭建建实验模型，选择合适的的参数以便于于测量。二.实验原理光（grating）有各种类型，实验中常用的是狭缝光栅。狭缝光栅由大量等宽等间距的平行狭缝构成，广泛应用于各 类需要分光的实验和光学仪器中。一般常用的光栅是在玻璃 片上刻出大量平行的刻痕，刻痕为不透光部分，两刻痕之间 的光滑部分可以透光（相当于一狭缝）。这种利用透射光衍射 的光栅称为透射光栅。精制的光栅，在1mm宽度内刻有数百 乃至数千条刻痕。另外一-类 是利用两刻痕间的反射光衍射 的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻 痕间的光滑金属面可以反射光。这种光栅称为反射光栅（常 称为闪耀光栅）。实际应用中，各类光学设备使用的光栅基本 上都是反射光栅。1.投射光栅如果单色平行光照射在光栅面上（图1）,则透过各狭缝的光线因衍射将向各个方向传播，这些衍射光线又互相干涉，在接收屏上会形成明锐的谱线结构。光州对入射光的忻射作所示，上用 为单漩射的作川中图为多最干涉的作用.卜 国为一者雁合作用得到的结果、出射光的光损分光强表达式中前一项是单缝衍射因子，后-项是多缝干 涉因子。衍射光谱中明条纹的位置由8= +Kn确定，即(1)d(sinpx-sin0)=+Kh(K=0,1,2,.此式称为光栅方程。当入射角0为0时，简化为d sinqk= +K入光栅方程中，d=a+b称为光栅常数：入为入射光波长，K为明条纹级数，0K是K级明条纹的衍射角（见图1）。从光栅方程中可以看到，如果入射光不是单色光，则因 光的波长不同，其衍射角M也各不相同，于是复色光将被分解。在中央位置，K=0, 6K=0处，各色光仍重叠在-起,形成中央明纹（零级谱线）。在中央明纹两例对称地分布着K=1, 2, 3,.级光谱，各级光谱线都按波长大小的顺序依次排列成一组彩色谱线，这样就把复色光分解为t谱，如3所示。各种需要较大色散的光学仪器如光谱仪等都需要分光器件，光栅就是最常用的分光器件之一，它能把复合光分解为光谱。2.反射光栅从透射光栅的光栅方程中可以看到，透射光栅的零级谱线并没有分光作用。但零级谱线的光强最大，因此透射光栅 的衍射谱线对能量的利用率是很低的。造成这个现象的原因 是，光栅缝间干涉的零级极大与单缝衍射因子的主极大方向-致，光强主要集中在衍射主极大方向，而这个方向上是缝间干涉的零级，无分光作用，所以造成了光强的极大浪费。实际应用中，人们总是使用闪耀光栅来分光，它能极大地提高光的利用效率。反射光栅光路原理如4所示，d是光栅常数;0是相对于光栅平面的入射角，。是衍射角。入射光投射到光栅平面后，其反射光因单个槽面的衍射和缝间的干涉形成光谱，谱线位置可同样由光栅方程给出：mi出1(2)d(sinpK 士 sin0)= +K2当入射光与衍射光在法线的不同侧时上式取负号，否则 取正号。对于正入射，上式简化为：dsinpx= +Kio .对于透射光栅和反射光栅，如果知道光栅常数d,通过测量衍射角q,我们可以计算出光波长比反过来，已知光波长，通过测量衍射角，我们可以得到光栅常数d.ill!3.在我们的日常生活中，具有光栅特性的物品经常用，例如手札其显示屏就是正方形网格，每个小方格就是一个显示单元，网格越密，则显示分辨率越高。这些整齐排列的小方格实际上就形成了反射光栅（如5.上所示）。不过这种光栅稍复杂一些，它是种二维光栅。另一种物品就是>11出1光盘，它是我们常用的存储介质，从早期的CD、DVD等到现在的蓝光光盘，其存储密度越来越高。它存储数据的方式是 用极细的激光束，沿着近似同心圆环的螺旋形光轨，在光盘 表面烧蚀出一个个的小坑，有坑的位置和无坑的位置分别对 应0和1。读取数据时，同样用激光束沿着光轨照射，有坑和无坑的位置反射光强不一样，这样就可以把数据读出来了。我们可以看到，相邻的这些环状刻痕（光轨）实际上就形成了一个反射光栅（如 虚线区域），两条刻痕之间的间距就是光栅常数d。利用常见的激光笔作为光源，我们可以测量待测物品产 生的衍射谱线的衍射角，再根据已知的参数，通过计算获得 其他参量的数值。要特别注意的是，如果采用的光盘是蓝光光盘（光轨宽 度d约为0.32um）,再用可见光的激光笔作为光源的话，我们>11可能看不到任何一级衍射光（请从光栅方程出发解释这一点），所以测量蓝光光盘用一-般的激 光笔是不行的。三.实验器材与装置四.实验内容与步骤1.准备好实验器材:一支激光笔（最普通的任意可见光波长的激光笔），-一个手机，一个刻蚀过的光盘，一些泡沫塑 料（用来搭建光路），一个卷尺。实验场地内要有一-面白墙 用来投射衍射光斑。2.搭建实验光路.为了方便测量和简化计算，我们采用正入射，如图6所示。对于手机， 微调手机平面，射光稍稍上移，激光笔垂直于墙面、手机平行于墙面放置， 使得反射光回到激光笔出光口，然后再让反使得衍射光斑能投射到墙面上，这样就保证光在水平的方向上能垂直入射到手机屏幕（整直方向入射角稍微偏离0）。测量水平方向上光斑的间距X。测量K度应尽量大一些，测里面包含多个光斑，这样误差会小一些。再测量手机上的光入射点到行射光斑中心点的距离L。则xIL即为衍射角。（因为6很小，6= tanp=x/L).测出U1级和+2级(如果存在)的衍射光斑之间的间距12, 光盘和墙面的距离为1,这样即可计算出衍射角 :tanp= 12/(241)。因为这里的6较大，所以必须使用反三角函数才能得到6的大小。五.数据记录与处理貌炭仍金-.一 一一. /12 0-CJHZ"CM匕5新 Le仙 5*4 5L，r /cm - -7 顼 am M 邠仆戏妍十：一啤土湘mJ/F”也停机4*¥上三7白网一 一=寿二七。w一 也产 U= 7?2iLL X 顷知 5 一了、0机七虫苔炉"-1譬七岫六.结果分析与总结本次实验做的还是很顺利的，途中没有遇到太大的问题。最后得到的结果与 真实值有较小的误差，我觉得这个误差应该来源于将6与其sin和tan值的近 似。其余的地方我觉得没有太大的问题。总之本次实验我自己非常满葛 同时也 学会的在居家环境中如何测量激光的波长，增长了自己的知识，同时也认为居家 实验能让我们更好的将学到的知识更快的运用到生活当中。
