居家光栅衍射实验报告Word文档格式.docx

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实验地点：

实验日期：

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一.实验目的

1.了解光栅栅的结构及光光学原理。

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

光栅（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），则透过各狹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。

光强表达式中前--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δ=+Kπ确定，即

d（sinpx-sin0）=+Kh（K=0,1,2,....

（1）

此式称为光栅方程。

当入射角0为0时，简化为dsinqk=+Kλ

光栅方程中，d=a+b称为光栅常数:

λ为入射光波长，K为明条纹级数，φK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φx也各不相同，于是复色光将被分解。

在中央位置，K=0,φK=0处，各色光仍重叠在--起，形成中央明纹（零级谱线）。

在中央明纹两侧对称地分布着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，如图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图4所示，d是光栅常数;

0是相对于光栅平面的入射角，φ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:

d（sinpK士sin0）=+K2

（2）

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h;

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.

3.在我们的日常生活中，具有光栅特性的物品经常用，例如手机，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（如图5.上图所示）。

不过这种光栅稍复杂一些，它是一一种二维光栅。

另一种物品就是光盘，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，激光笔垂直于墙面、手机平行于墙面放置，微调手机平面，使得反射光回到激光笔出光口，然后再让反射光稍稍上移，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，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φ（因为φ很小，φ=tanp=x/L）.

测出≠1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φ较大，所以必须使用反三角函数才能得到φ的大小。

五.数据记录与处理

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φ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意，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。