實驗二光柵特性及光波波長測量

1、實驗二 光柵特性及光波波長測量 （設計性實驗）實驗目的1、加深對光柵分光原理的理解，了解光柵的基本特性；2、用透射光柵測定光柵常數(shù)、光波波長；3、觀察光柵光譜。實驗儀器分光計，平面透射光柵，低壓汞燈.實驗原理光柵是近代分光儀器（如光譜儀）的主要色散元件，有透射光柵和反射光柵兩類。本實驗研究透射光柵，它是由許多等間距的狹縫組成的，每條狹縫的寬度為a，相鄰狹縫間隔為b，a+b稱為光柵常數(shù)，記作d，見圖9-1所示。d ab 圖9-1 光柵結構示意圖根據(jù)夫瑯和費衍射原理，當波長為的單色平行光垂直投射到光柵平面上時，凡滿足關系式:（k=0, +1,） （9-1）的衍射光經(jīng)透鏡會聚后，在其焦面上出現(xiàn)亮條紋

2、，稱為譜線。（9-1）式稱為光柵方程，式中k為譜線級次，為k級譜線的衍射角，。當k=0時,在衍射角 =0方向看到中央亮紋，稱零級譜線。其他各級譜線 （k =+1,+2,）對稱地分布在兩側，譜線強度逐漸減弱。當入射光是不同波長的復合光時，中央零級是各種波長的零級譜線重疊而成的復合光的零級譜線，其余各級條紋都是散開的色線，稱為光譜線。圖9-2給出了汞燈的光柵光譜。如已知入射光波長，當測出該譜線的衍射角和譜線級次k后，可由（9-1）式求得光柵常數(shù)d；若給定光柵常數(shù)d，測定衍射角，可求得該譜線的波長，這就是光譜分析的基本思想。圖9-3示出了入射光經(jīng)光柵衍射后形成光譜的光路，圖中G為光柵，S為細長狹縫，

3、L1為準直透鏡，L2將衍射光會聚于焦面上構成光譜線。 圖9-2 汞燈的光柵光譜 圖9-3 光柵衍射光路圖由光柵方程（9-1）對微分，可求得光柵的角色散（D） （9-2）角色散（D）是光柵、棱鏡等分光元件的重要參數(shù)，它表示單位波長間隔內(nèi)兩單色譜線之間的角間距。由（9-2）式可知，光柵常數(shù)d越小，角色散越大；此外，光譜的級數(shù)越高，角色散也越大。在衍射角不大時有：cos =1，（9-2）式變?yōu)?（9-3）光譜的角色散幾乎與波長無關，即光柵光譜的譜線按波長均勻展開。分辨本領（R）是光柵的又一重要參數(shù)，它表征光柵分辨光譜細節(jié)的能力。R定義為兩條剛被分開的譜線的波長差除該波長，即: （9-4）根據(jù)瑞利判據(jù)

4、，當一條譜線的極強與另一條譜線的極弱恰好重合時，則認為兩條譜線剛能被分開，如圖9-4所示。因此可導出光柵的分辨本領為:R=k N（9-5）式中k為光譜級數(shù)，N是光柵刻線的總數(shù)，由（9-5）式可知，N越大分辨本領越高；光譜級數(shù)k越大，分辨本領也越高。通常k不會很大，因此提高分辨本領主要靠增大N達到，一是增大光柵面積，二是提高光柵的線密度（n）。圖9-4 瑞利判椐兩條譜線剛能被分開的情況 光柵線密度定義為：（ ） （9-6）它表示單位長度內(nèi)光柵刻線的數(shù)量，常用單位為：條線/mm實驗內(nèi)容一、調(diào)節(jié)實驗光路1、調(diào)節(jié)分光計用低壓汞燈照明平行光管狹縫，按實驗五的要求將分光計調(diào)節(jié)到正常工作狀態(tài)。2、調(diào)節(jié)光柵的

5、位置為了精確測量光譜的衍射角，測量前必須先調(diào)節(jié)好光柵的位置，使得被測平面（即光柵的衍射面）平行于讀數(shù)平面。具體要求：（1）光柵平面與分光計轉軸平行；（2）光柵刻線與分光計轉軸平行；（3）光柵平面與平行光管光軸垂直。請自行設計調(diào)節(jié)步驟，完成上述要求。請思考1）為什么上述（1）（2）兩點要求滿足后，光柵的衍射面就平行于讀數(shù)平面了？2）上述第（3）點要求是出于什么考慮？提示1、借助已調(diào)好的望遠鏡可方便地將光柵平面調(diào)到豎直狀態(tài)，只需調(diào)節(jié)光柵俯仰，看從光柵表面反射的亮十字線是否處于分劃板上水平線中央。2、由光柵衍射特性可知，其衍射平面垂直于光柵刻線，因而光譜線展開的方向與刻線方向垂直。當光柵刻線平行于儀

6、器公共軸時，從望遠鏡中可觀察到譜線相對于分劃板水平線是等高的。所以，只需用望遠鏡觀察譜線是否等高，即可判斷光柵刻線是否與公共軸平行。圖9-6示出了譜線不等高時的情形。3、借助已調(diào)好的望遠鏡同樣可方便地將光柵平面調(diào)到與平行光管光軸垂直，只需仔細調(diào)節(jié)光柵的左右方位，使從目鏡中看到衍射零級光譜與綠十字線同處于分劃板中央豎線上。小技巧 1、為調(diào)節(jié)方便，光柵在平臺上可依圖9-5所示的位置放置，螺釘b2、b3用于調(diào)節(jié)光柵的俯仰，而螺釘b1僅用于調(diào)節(jié)光柵刻線的方向。2、為了更精確地判斷光柵譜線是否等高，可把狹縫轉成水平狀態(tài)，讓譜線“臥倒”，使調(diào)節(jié)更方便。（請想一想為什么？）注意以上三點調(diào)節(jié)完成后，光柵位置萬

7、萬不可再動，否則將前功盡棄。圖9-5 光柵放置在平臺上的位置圖9-6 光柵刻線傾斜造成光譜線不等高時的情形 二、觀察和測量1、用分光計觀察光柵光譜：記錄觀察到的現(xiàn)象，并記錄一共能看到幾級光譜；2、測定光柵常數(shù)d（或線密度n）:假設：低壓汞燈綠色光譜線的波長是已知的，為g = 546.1nm，請根據(jù)前面所述原理設計一個測定光柵線密度n的實驗方案，并計算光柵常數(shù)d。（測量前請將設計方案交老師檢查）提示為提高g的測量精度，可測出+1級綠色譜線和 -1級綠色譜線間的夾角的值，取其平均值作為g代入（9-6）式計算。請分析該測量方法的合理性。3、計算光柵的分辨本領:利用（9-5）式所示關系，已知N值，即可

8、得到光柵的分辨本領R。在本實驗中光柵總條數(shù)N應取光柵實際使用部分的總條數(shù)：N=nl（9-7）其中l(wèi)為平行光照射光柵的寬度，即平行光管物鏡的通光孔徑l=22mm4、測定未知光波波長及色散率:測量低壓汞燈光譜中紫色譜線及兩條黃色譜線的波長，并求光柵的色散率。請自行設計測量步驟，導出計算公式。提示為減少操作步驟，此測量程序可與測光柵線密度一同進行，因為實際測量的量都是衍射角。思考題1、試比較光柵分光和三棱鏡分光的光譜有何區(qū)別？2、光柵方程的前提條件是什么？在本實驗中如何檢查是否滿足此條件？3、在實驗中，若入射光不嚴格垂直于光柵平面，會對實驗結果產(chǎn)生什么影響？如何用實驗方法加以修正？試證明之。4、對于

9、本實驗給定的光柵，請估算一下最多能看到幾級光譜（包括正、負級次在內(nèi)）？5、平行光管的狹縫增寬時，對實驗結果有何影響？附錄1、最簡單的衍射光柵是在平板玻璃上用刻劃機刻上許多等寬等間距的刻線，投射到光柵刻線部分的光被散射掉，不能透過，只有射到未刻部分的光才透過光柵，投向觀察方向。玻璃板上未刻線部分相當于平行狹縫，刻線部分相當于不透明間隙，這就是透射光柵。通常要在一毫米內(nèi)刻上600條以上的刻線，即在寬為20毫米的光柵上，共刻有12000條以上的平行狹縫。本實驗所用的光柵是全息光柵，它是用全息照相的方法制作的，由于條紋均勻、間距小、制作成本低，近年來已普遍用于實驗教學中。2、光柵的應用十分廣泛，例如它

10、在單色儀、攝譜儀等傳統(tǒng)光學儀器中作為分光元件；在激光器中作為選頻元件；在光通信系統(tǒng)中作為耦合元件；在光計算中用作光互連元件；在光信息處理系統(tǒng)中又可作為調(diào)制器、編碼器、空間濾波器等等；甚至在攝影、攝像儀器中還可用作彩虹濾色鏡，使被攝畫面產(chǎn)生奇妙的藝術效果。實驗三 偏振現(xiàn)象的研究(一) （設計性實驗）目的要求1、觀察光的偏振現(xiàn)象，熟悉偏振的基本規(guī)律；2、了解產(chǎn)生和檢驗偏振光的原理和基本方法；儀器用具分光計，偏振片(起偏器、檢偏器各一片)，14波片，玻璃平晶，鈉燈。實驗原理 光的干涉、衍射現(xiàn)象無可辯駁地說明了光的波動性質(zhì)，而光的偏振則清楚地顯示了光的橫波性，即電矢量與磁矢量的振動方向都與波的傳播方向

11、垂直。通常用電矢量代表光的振動方向。如果電矢量只在單一的方向上振動，我們稱這種光為線偏振光。另外，按偏振狀態(tài)的不同，還分橢園偏振光、園偏振光、部分偏振光等，詳細論述請參看有關教科書。一、線偏振光的產(chǎn)生：1、反射產(chǎn)生線偏振光布儒斯特定律：當自然光從空氣中入射到折射率為n的非金屬(如玻璃、水等)界面上時，只要入射角與n符合關系式： （10-1）則得到的反射光必然是線偏振光，這就是布儒斯特定律，角稱為該種材料的布儒斯特角，也稱為全偏振角。玻璃的全偏振角約為570。任意角度入射時，反射光為部分偏振光。2、折射產(chǎn)生線偏振光：當自然光以布儒斯特角入射到疊在一起的多層玻璃面上時，每反射一次，垂直于入射面的振

12、動均有所遞減，折射光中平行于入射面的振動漸占優(yōu)勢，隨著玻璃層數(shù)的增加，經(jīng)多次反射后，垂直于入射面的振動越來越弱，折射光漸變成振動方向平行于入射面的線偏振光。3、人造偏振片產(chǎn)生線偏振光：偏振片是用人工方法制成的二向色性多晶體薄膜，當光線射在這種晶體的表面上時，電矢量與晶體光軸平行的光(e光)被吸收得較少，透過的光較強；電矢量與光軸垂直的光(o光)被吸收，透過很弱，晶體的光軸方向我們稱其為偏振軸。圖10-1畫出了透射光的振動方向與偏振片的偏振軸之間的關系。 偏振軸自然光 起偏器 檢偏器 圖10-1 偏振軸與透射光振動方向的關系示意圖4、晶體雙折射產(chǎn)生偏振光：由晶體雙折射產(chǎn)生的尋常光(o光)和非尋常

13、光(e光)都是線偏振光，例如尼科耳棱鏡就是常用的偏振元件之一，由它所得到的線偏振光的偏振度是很高的。二、波長片及橢園偏振光的產(chǎn)生單色線偏振光垂直入射到表面平行于光軸的晶片上時，o光和e光的傳播方向都是一致的，因此將不發(fā)生光束的分離。然而由于兩者的傳播速度不同，在透過晶片時就產(chǎn)生了位相差，記為 （10-2）其中l(wèi)為晶片厚度，no、ne分別為o光和e光在晶體中的折射率，為入射光的波長。在石英（正晶體）中，o光速度大于e光，故o光位相超前，此時位相差<0；而在方解石(負晶體)中，e光速度大于o光，故使e光位相超前，此時>0。當入射光及晶片材料確定后（即及no、ne給定），的大小僅依賴于晶

14、片的厚度l。離開晶片時，o光和e光不分開，光的合振動的偏振性質(zhì)取決于的值，可分以下四種情況討論： (1） ,（），合振動仍為線偏振光，且振動方向與入射光方向相同，這種晶片被稱為全偏振片。 (2 ) ,（），合振動仍為線偏振光，但振動方向與入射光不同。若入射光振動方向與晶軸的夾角為，則出射光振動方向與光軸將成-角，也就是說，線偏振光經(jīng)這種晶片后振動方向旋轉了2角。具有該種功能的晶片被稱為半波片，也叫12波片。（3） （）,合振動應為正橢圓偏振光，但當入射光振動方向與晶軸的夾角或900時，退化為線偏振光；當時為園偏振光，如圖10-2所示。具有該種功能的晶片被稱為14波片。 （4）不等于以上各值時，

15、透射光為斜橢園偏振光。（請參看有關教科書。）應該強調(diào)的是：不論是全波片，半波片還是1/4波片，都是針對一定波長而言的。= 00= 300= 450= 600= 900 圖10-2 時合振動的偏振狀態(tài)示意圖圖中虛線為波片的晶軸方向，實線箭頭為入射的線偏振光。儀器介紹一、偏振片本實驗提供兩片偏振片，其中一片用作起偏器，另一片用作檢偏器，它們均被安裝在可旋轉的金屬框架內(nèi)，端面刻度值間隔為50；二、玻璃平晶玻璃平晶是用光學玻璃制成的兩面平行度較高的玻璃平板，實驗中用于產(chǎn)生反射光，以驗證布儒斯特定律，還用于確定偏振片的偏振軸。三、1 / 4波片1 / 4波片用云母片制成，安裝在可旋轉的框架內(nèi)，端面刻度間

16、隔為50，本實驗用于產(chǎn)生和檢驗橢園偏振光(或園偏振光)。實驗內(nèi)容一、驗證布儒斯特定律，并確定偏振片的偏振軸1、按實驗五的步驟調(diào)節(jié)分光計，使處于正常工作狀態(tài)；2、如圖10-3所示布置光路，其中的檢偏器是一片套在望遠鏡物鏡筒上的偏振片，旋轉該檢偏器可檢驗平晶反射光的偏振狀態(tài)；3、設計一種可行的實驗方案，用以驗證布儒斯特定律。平晶 平行光管 平臺 望遠鏡 檢偏器 圖10-3 驗證布儒斯特定律的光路示意圖提示1）當入射角等于布儒斯特角時，從望遠鏡中看到的反射光應是線偏振光，因此若用檢偏器檢驗，會出現(xiàn)消光現(xiàn)象；2）在尋找布儒斯特角時，一方面要旋轉載物臺，一方面又要用望遠鏡捕捉反射光，同時還應旋轉檢偏器隨

17、時檢測它的偏振狀態(tài)，三者缺一不可；3）在測量布儒斯特角的過程中，應保持載物臺固定，即保證光對平晶的入射角不變；4）布儒斯特定律是否得以驗證，最終應以相對誤差來表征。那么，應該計算哪個物理量的相對誤差呢？4、請記錄消光時檢偏器的角度讀數(shù)0，并根據(jù)反射產(chǎn)生線偏振光的原理，確定此時檢偏器偏振軸的具體方向，畫出示意圖加以說明。二、線偏振光的產(chǎn)生與檢驗1、請設計一個實驗方案，說明怎樣利用人造偏振片產(chǎn)生和檢驗線偏振光，記錄所觀察到的現(xiàn)象，并加以分析；提示1）保留套在望遠鏡筒上的檢偏器不取下，并將另一片偏振片套在平行光管鏡筒上，作為起偏器，見圖10-4；2）將望遠鏡對準平行光管，進行觀察；3）可將檢偏器旋轉

18、到0位置，然后將起偏器旋轉一周（3600），觀察光強的變化規(guī)律，以此來說明問題。平臺起偏器 檢偏器鈉燈 平行光管望遠鏡 圖10-4 線偏振光的產(chǎn)生與檢驗光路圖2、確定起偏器的偏振軸方向：由檢偏器的偏振軸方向定出起偏器的偏振軸方向，請具體作出說明。記錄消光時起偏器的角度讀數(shù)0 。三、橢園偏振光、園偏振光的產(chǎn)生與檢驗用1/4波片產(chǎn)生橢圓偏振光，利用前面已經(jīng)確定的起偏器和檢偏器的偏振軸方向，設計一個可行的實驗方案，使得圖10-2中示出的5種情況得以驗證。提示1）波片的晶軸方向如何確定？可將1/4波片插入相互正交的起偏器和檢偏器之間（如圖10-5），旋轉波片3600，改變其晶軸的方位，從望遠鏡目鏡中觀

19、察透射光強度的變化，根據(jù)消光的情況，確定其晶軸的兩個可能的方向，從框架上記錄它們的角度讀數(shù)；2）從上述兩個可能的晶軸方向中選擇其中之一，固定1/4波片；3）怎樣改變線偏振光的振動方向？通過改變起偏器的角度可以實現(xiàn)。若用表示起偏器角度的改變量，分別取= 00、150、300、450、600、750、900即可得到圖10-2中所示的不同振動方向的線偏振光；4）怎樣檢測透過1/4波片的光束的偏振狀態(tài)？利用檢偏器即可觀察光強變化情況，請逐項記錄，分析并判斷透射光的偏振狀態(tài)。 偏振軸 晶軸 偏振軸 起偏器 1/4波片 檢偏器 圖10-5 橢圓偏振光的產(chǎn)生和檢測示意圖參考記錄表：起偏器角度改變量用檢偏器檢

20、測，觀察到的現(xiàn)象透射光的偏振狀態(tài)150300450600750900注意事項1、本實驗與偏振光理論結合較為密切，尤其是對物理概念、物理圖象的理解、掌握和分析要求較高，綜合性較強，因此要求實驗者開動腦筋，認真思考，發(fā)揮創(chuàng)造能力，把實驗做好；2、對實驗中要做些什么？怎么做？應記錄哪些現(xiàn)象、數(shù)據(jù)？事先應設計和考慮充分，不可到課上現(xiàn)想現(xiàn)做；3、實驗過程中看到許多現(xiàn)象，哪些是有用的、能說明問題的？應認真加以分析和取舍；4、怎樣寫好實驗報告？也請認真考慮。思考題1、用檢偏器檢測光的偏振狀態(tài)時，出現(xiàn)消光現(xiàn)象的先決條件是什么？2、“既然線偏振光經(jīng)1/4波片后會變成橢園偏振光，那么橢園偏振光經(jīng)1/4波片后必然會

21、變成線偏振光”，此話是否正確?請說明理由。3、請設計一種實驗方法，用于區(qū)別橢園偏振光和部分偏振光。4、在相互正交的起偏器和檢偏器之間插入一塊1/2波片1）如該波片光軸與起偏器偏振軸平行，透過檢偏器的光強將發(fā)生什么變化?2）如該波片光軸與起偏器偏振軸正交，情況又如何?3）以上兩種情況下，如將檢偏器旋轉900，光強又將如何改變?請畫圖加以說明。 實驗四 衍射光強分布的測定 (設計性實驗)實驗目的觀察單色光通過單縫、多縫、圓孔、矩孔、光柵等圖形時的衍射現(xiàn)象，了解衍射光強的分布特點；測量單縫衍射的光強分布曲線，進行相關的計算。實驗儀器WGZ-光強分布測定儀，計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。儀器介紹一、WGZ

22、-型光強分布測定儀WGZ-型光強分布測定儀的主體，包括一個長度為1m的平直導軌，導軌（2）上備有數(shù)個滑塊，滑塊上安裝著各種用途的支架，支架的高度可調(diào)。圖11-1 光強分布測定儀裝置示意圖光學系統(tǒng)包括：1、氦氖激光器（1） 提供單色光源，激光波長為632.8nm；2、擴束鏡組（3） 用于將細激光束擴展為均勻平行寬光束；3、偏振片組（4） 利用兩片偏振片組合成光衰減器，用于減弱光強；4、光闌（5） 用于限制光斑大小；5、狹縫組件（6） 在感光板上制作各種衍射孔，包括狹縫、圓孔、方孔、光柵等等，見圖11-2，激光通過這些衍射孔時發(fā)生衍射。它被安裝在二維可調(diào)的微調(diào)架（7）上；多縫 圖11-2 狹縫組件

23、圖示表1 衍射孔組件參數(shù)表6、屏（8） 衍射花樣直接投射在光屏上，用白屏以便觀察，用毛玻璃屏可便于輸入CCD；7、采集器（CCD）（9） 用于采集衍射花樣，并進行A/D轉換，輸入數(shù)字處理系統(tǒng)。CCD前安裝有照相鏡頭，內(nèi)含可調(diào)光圈及聚焦系統(tǒng)，前者用于控制入射光通量，后者用于獲得清晰數(shù)字圖象。二、CCD簡介CCD是電荷耦合器件（Charge Coupled Device）的簡稱，最早出現(xiàn)在70年代初的美國貝爾實驗室。其優(yōu)點是結構精細，體積小，堅實可靠并且在低電壓下工作。CCD主要應用于下面兩個領域，一是電子計算機或是其他數(shù)字系統(tǒng)中用作信息存儲和信息處理，二是用于攝像裝置，把光學圖像轉換為電子圖像，

24、輸出時間序列的電信號。CCD的兩個最基本的功能是電荷存儲和電荷傳輸。本實驗中的CCD主要用作攝像，其基本的性能參數(shù)包括：1）分辨率：主要是指空間分辨率，它與每個像元的尺寸和像元之間的間距有關。器件的像元數(shù)越多，分辨率越高。2）暗電流：是指在無光照情況時在額定電壓下輸出的電流，測試顯示，CCD器件在室溫下的暗電流約為510nA/cm。3）靈敏度：主要由CCD器件響應度和各種噪聲因素共同決定。由于CCD結構復雜，噪聲源也多，主要有光子噪聲、暗電流噪聲、表面捕獲噪聲等。當然理想的CCD攝像器件希望有高靈敏度。4）動態(tài)范圍：指對于光照度有較大變化時，器件仍能線性響應。它的上限是由電荷最大存儲容量決定，

25、下限仍是噪聲所限制。5）光譜響應：CCD器件的光譜響應與所用材料有關。通常用Si材料制作的CCD其光譜響應范圍為4501050nm。三、智能測試分析軟件“智能測試分析軟件”是WGZ-光強分布測定儀采用的計算機數(shù)據(jù)處理軟件，它可對二維平面上的光強分布進行觀察，并繪制光強分布曲線、進行相關測量，還可進行三維顯示。其用法請參見實驗室提供的說明書。實驗原理一、單縫夫瑯和費衍射的光強分布當平行光垂直入射到寬為b的單縫上時，在無窮遠處（亦即透鏡焦面上）得到夫瑯和費衍射圖樣，如圖11-3和11-4所示。其光強分布為 （11-1）其中為入射波波長，為衍射角。 L P A f B 圖11-3 單縫夫瑯和費衍射光

26、路原理圖圖11-4 單縫衍射光強分布實驗曲線由（11-1）式可知：1）當u = 0，即= 0 ，I = I0，衍射光強為中央主最大，I0與b2成正比；2）當u = K時，即衍射光強極小，為暗條紋。若角很小，則暗條紋的位置近似為 （11-2）3）暗條紋之間有次極大，它們的位置滿足條件，次極大的位置為： （11-3）其相對光強為：I / I0 = 0 .047，0.017，0.008二、其它圖形的夫瑯和費衍射花樣圓孔、矩孔、光柵等圖形的夫瑯和費衍射，與單縫衍射不同，它們的規(guī)律與特點請參閱教科書有關章節(jié)。實驗內(nèi)容一、調(diào)整實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)調(diào)節(jié)是否恰當，關系到本實驗的成敗，請自行設計調(diào)節(jié)方案，使實驗系統(tǒng)

27、滿足以下要求：1、按圖11-1所示位置安裝系統(tǒng)各部件，應保證系統(tǒng)各部分的穩(wěn)定性；2、各元器件高度應調(diào)節(jié)適當，使得狹縫板在二維調(diào)節(jié)架的有限行程之內(nèi)移動時，保證每個衍射孔都能依次被激光束照明； 3、各光學元件應調(diào)節(jié)共軸，照明衍射孔的光斑應均勻，亮度適當；4、調(diào)整CCD鏡頭應保證從電腦顯示屏上看到完整而清晰的衍射花樣。二、測量單縫夫瑯和費衍射光強分布請根據(jù)原理，自行設計一個利用單縫夫瑯和費衍射光強分布曲線測量單狹縫寬度的實驗方案，請老師檢查。具體要求如下：1、選定一條單狹縫作為衍射孔，利用光強分布智能分析軟件，在電腦屏幕上顯示衍射圖樣，正確繪制出光強分布曲線；根據(jù)下面的提示，利用測量曲線上若干暗點的

28、位置，計算單狹縫的寬度b，請導出計算公式；2、將計算結果與表1中相應的標稱值比較，計算相對誤差，分析誤差來源；3、將實驗曲線與理論曲線進行比較，分析誤差來源；4、打印一份實驗曲線和相應的數(shù)據(jù)表（請署實名），夾入實驗報告。提示1）取寬度較大的單狹縫作衍射孔，效果較為理想；2）角的測量，可通過對光強分布曲線上主極大兩側多個暗點位置的測量間接地實現(xiàn)，請設計具體的測量方法，并導出計算公式。注意：為保證測量精度，所測暗點的數(shù)量不得少于4個；3）計算機顯示屏上的距離標度（格）與實際長度單位（mm）相差一個比例系數(shù)，應納入計算公式，該系數(shù)值平均為a = 0.032；4）狹縫板到毛玻璃屏的距離是計算所需的重要

29、參數(shù)，切勿漏測。三、觀察衍射圖樣將狹縫組件上的圖形依次移入光路，觀察它們的衍射花樣，分析其特點和規(guī)律，做好記錄，并在實驗報告中作出詳細說明。提示由于軟件設定的動態(tài)范圍的限制，衍射花樣中光強相差較大的部分不能同時得到清晰的觀察效果，因此應根據(jù)需要隨時調(diào)節(jié)入射到CCD中的光通量，以便觀察到和理論分析相一致的實驗現(xiàn)象。注意事項1、注意激光的安全使用，避免意外傷害；2、注意保護CCD，不得接受強光長時間照射，以免損壞；3、實驗結束時，應首先關閉激光器和CCD的電源；4、注意保護暴露的光學元件，不使污染；5、光學元件的夾持必須牢固、穩(wěn)定，以保證測量的順利和精確。附件WGZ-型光強分布測定儀智能測試分析軟

30、件使用說明（請到實驗室閱讀）實驗五 光譜特性研究（一） （綜合性實驗）實驗目的1、 熟悉組合式光柵光譜儀的結構、工作原理和使用方法；2、 初步了解光電探測器的一般特性和用途；3、 學習一種測量未知光波波長的方法；4、 學習一種利用數(shù)字化手段采集和處理數(shù)據(jù)的方法。實驗儀器WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀（包括計算機），低壓汞燈（或高壓汞燈），低壓鈉燈，半導體激光器，打印機儀器結構及工作原理一、WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀的結構WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀由光柵單色儀、接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元和計算機組成，其連接順序如圖12-1所示，其中虛線框內(nèi)為光譜儀部分。光

31、源 光柵單色儀 接收單元 電子放大器掃描系統(tǒng) 高壓電源 A/D 計算機采集單元打印機圖12-1 光柵光譜儀結構框圖1、光柵單色儀光柵單色儀的結構原理如圖12-2所示，其光學系統(tǒng)主要由以下三部分組成： 入射準直系統(tǒng)：由入射狹縫S1、平面鏡M1和準直球面反射鏡M2構成，形成平行光束；衍射色散系統(tǒng)：由平面反射光柵G構成，復色光經(jīng)光柵衍射后形成沿不同方向傳播的、波長不同的單色光；出射聚光系統(tǒng)：由聚焦球面反射鏡M3、轉鏡M4和出射狹縫S2、 S3構成，M3將光柵衍射的單色光會聚到出射狹縫上，轉鏡M4分別將其送至S2或 S3出射。S2處安裝接收單元光電倍增管，S3用于直接觀察。光柵G被安裝在特制的掃描系統(tǒng)

32、上，可按計算機軟件的指令使光柵繞豎直軸旋轉，依次使不同波長的單色光從出射狹縫射出。本設備安裝兩塊光柵，其線密度為1100條線/mm，閃耀波長分別為360nm和550nm，采用刻劃光柵的復制品。S2 S1 M1 M2 G M4 S3 M3圖12-2 光柵單色儀結構示意圖2、光電倍增管本設備采用的光電探測器光電倍增管（PMT），是一種建立在光電子發(fā)射效應、二次電子發(fā)射和電子光學理論基礎上的，把微弱入射光轉變成光電子并獲倍增的重要的真空光電發(fā)射器件，它由光電陰極、電子光學輸入系統(tǒng)、二次發(fā)射倍增系統(tǒng)及陽極等構成。光電倍增管的基本特性參數(shù)包括：1）靈敏度和光譜響應度 7）穩(wěn)定性2）放大倍數(shù)（電流增益）

33、8）時間特性和頻率特性3）暗電流 9）磁場特性4）伏安特性 10）偏振效應5）輸出信號和等效電路 9）噪聲6）線性和空間均勻性 11）通量閾為使光電倍增管能正常工作，通常需在陰極和陽極間加上近千伏的高壓，同時通過分壓器分配一定的極間電壓，一般采用負高壓供電方式。本設備采用特制的高壓電源提供光電倍增管所需的電源。3、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)該系統(tǒng)由A/D采集單元和計算機構成。前者將電子放大器放大后的光電子信號轉換成數(shù)字信號輸入計算機，利用計算機專用軟件處理數(shù)據(jù)。1）數(shù)據(jù)采集：啟動WGD-3光譜儀軟件，按實驗者設定的工作方式、工作范圍、工作狀態(tài)，指令掃描系統(tǒng)帶動光柵轉動，使不同波長的光束依次通過出射狹縫

34、S2，被光電倍增管接收，產(chǎn)生的光電流經(jīng)電子放大器放大，再經(jīng)A/D轉換，將光電子數(shù)字信號輸入計算機系統(tǒng)。2）數(shù)據(jù)處理：在系統(tǒng)掃描的同時，計算機軟件的制圖系統(tǒng)在顯示屏上同步進行描圖，把光電倍增管接收到的光信號實時地用曲線描繪出來。掃描結束后，根據(jù)要求，利用軟件的多種功能進行數(shù)據(jù)處理，如“尋峰”、“波長檢索”、“濃度測量”、“微分”等等。測量結果可以數(shù)據(jù)形式或曲線形式用打印機打印輸出。詳細內(nèi)容請參見光柵光譜儀使用說明書。與本實驗有關的操作功能僅包括其中的部分內(nèi)容，將在實驗內(nèi)容中介紹。二、利用光柵單色儀測量光波波長原理我們已經(jīng)知道，當入射光束與光柵不垂直時，光柵方程演變?yōu)?（12-1）其中d為光柵常數(shù)

35、，為衍射光的波長，和分別是入射光束和衍射光束與光柵法線的夾角，k為譜線級次。根據(jù)光柵單色儀的結構特點可知：（1）入射光束和衍射光束的夾角是固定的；（2）本設備只涉及+1級衍射，因此（12-1）式中取k=1；（3）由設備結構決定（12-1）式括號中只需取“-”號。因此，由（12-1）式可以方便地推導出光譜儀中光柵偏轉角度與出射的衍射光波長之間的關系： （12-2）式中為光柵偏轉角度，設定= 0對應光柵垂直于入射光束的狀態(tài)；為入射光束和衍射光束的夾角，是由設備結構確定的一個定值。由（12-2）式可知，只需測出光柵的偏轉角度，即可由（12-2）式推知出射光的波長。系統(tǒng)軟件設置了該推導結果，利用“尋峰

36、”功能，即可直接從掃描曲線上確定特征譜線對應的波長。實驗內(nèi)容和要求一、了解光柵光譜儀的外部結構和各元器件的連接順序注意1、圖12-1中的“高壓電源”和“電子放大器”被安裝在一個稱為“電箱”的設備中，開啟電源開關，兩部分都開始工作；2、光譜儀的入射狹縫S1和出射狹縫S2、S3在使用前應正確調(diào)整，順時針旋轉使狹縫寬度增大，逆時針旋轉使狹縫寬度減小。每旋轉一周，狹縫寬度改變0.5mm。寬度范圍為0-2.5mm，調(diào)節(jié)狹縫時不得大于2.5mm。本實驗要求狹縫寬度取0.5mm以下。實驗結束時，請務必將狹縫調(diào)到0.1-0.5mm之間。3、在S3的下方有一轉換開關，共有兩檔：將扳手放在“觀察”檔時，M4將光反

37、射至S3出射，直接觀察譜線；將扳手放在“光電倍增管”檔時，M4轉離原位，衍射光從S2射出，由光電倍增管接收。二、了解WGD-3型光譜儀軟件的基本使用方法WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀1、從計算機桌面上點擊 軟件開始啟動；2、進入軟件工作平臺，圖12-3是該工作界面的簡單示意圖。 文件 信息/視圖 工作 讀取數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)圖形處理 關于新建打開保存打印預覽單程重復定點停止?jié)舛葯z索退出當前波長200.0nm高級 當前寄存器 樣品名稱 操作人 數(shù)據(jù) 寄存器-1 6系統(tǒng)參數(shù)設置工作方式模式 能量 6間隔 0.16 nm工作范圍起始波長 400.0 nm終止波長 650.0nm工作區(qū)最大值 1000.0

38、最小值 0工作狀態(tài)負高壓 3增 益 2采集次數(shù) 476次輔工具欄寄存器信息提示區(qū)圖12-3 軟件工作界面示意圖3、彈出提示對話框，點擊 取消，使系統(tǒng)初始化；4、設定工作參數(shù)（見工作界面左側），并選定寄存器編號；5、從“信息/視圖”菜單中選擇“采集信息”，輸入有關信息，如“樣品名稱”、“操作人”等；6、點擊界面上方 單程 按鈕，系統(tǒng)開始掃描，工作區(qū)內(nèi)實時地描繪出光源的光柵光譜強度曲線；7、從“讀取數(shù)據(jù)”菜單中選擇“尋峰”，可確定曲線峰值對應的波長值，顯示在數(shù)據(jù)表中；8、點擊 打印預覽 按鈕，在“打印設置”欄內(nèi)選擇“圖像及峰谷”，點擊確定；9、點擊 打印 按鈕，可將曲線和數(shù)據(jù)一并打印輸出；10、圖12-3所示工作界面上還列有許多功能，實驗者感興趣可一一瀏覽