《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》

评分：大学物理实验设计性实验实验报告

实验题目：用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长

班级：电信06-1

姓名：林松学号：22

指导教师：王德明

茂名学院技术物理系大学物理实验室

实验日期：2007 年11 月29 日

实验26 《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》

实验提要

实验课题及任务

《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》实验课题任务是，用小型棱镜摄谱仪测量激光的波长。

实验提示

在实验室现有的条件下，用小型棱镜摄谱仪来测量激光光谱主谱线的波长，有两种方法。

⑴读谱法：参阅以开实验MP-2《光谱的拍摄与测量》，的读谱方法。

⑵摄谱法：参阅以开实验MP-2《光谱的拍摄与测量》，的摄谱方法。

学生根据自己所学知识，设计出《用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长》的整体方案，内容包括：(写出实验原理和理论计算公式；选择测量仪器；研究测量方法；写出实验内容和步骤。)然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果。按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。

设计要求与提示

⑴采用读谱法测量激光波长，方法和《光谱的拍摄与测量》实验的读谱法基本上是相同的，不同的是如何将已知光源和待测光源的光，同时照射到摄谱仪的狭缝上(这是该实验的关键)，再通过读谱仪进行测量，测量方法和《光谱的拍摄与测量》相同。

⑵采用摄谱法测量激光波长，方法和《光谱的拍摄与测量》实验的摄谱法基本相同，但问题的是如何将已知光谱和待测光谱的光强调配好，因为激光的光强比汞灯和钠灯都强得多，拍摄时的曝光时间要掌握准确，否则排出的底片洗出冲洗后效果不好，甚至失败。这样就需要设计好各次曝光时间、显影时间、定影时间，显影、定影药液的选择与配置，测量谱线距离时要用读数显微镜测量等。

⑶该实验有多种方法，可以根据上面的提示来设计，也可以根据自己的设想和方法来设计。

⑷选择实验仪器，小型棱镜摄谱仪、光源(汞灯、钠灯、激光器)、读数显微镜、聚光镜、光谱干板及冲洗设备。

⑸设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。

⑹实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。

实验所用公式及物理量符号提示

参阅《大学物理实验补充讲义》，实验MP-2《光谱的拍摄与测量》一文。

评分参考(10分)

⑴正确的写出实验原理和计算公式，2分；

⑵设计出仪器可行设置，2分；

⑶做好实验前的准备，1分；

⑷写出实验内容及步骤，2分；；

⑸制作实验器材和实验室条件的合理应用，1分；

⑹写出完整的实验报告，2分；(其中实验数据处理，1分、实验结果，0.5分，整体结构，0.5分)

学时分配

实验验收， 4学时，在实验室内完成；教师指导(开放实验室)和开题报告1学时；提交整体设计方案时间

学生自选题后2～3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求电子版，用电子邮件发到指导教师的电子邮箱里。

思考题

⑴如何使用哈特曼光阑？

⑵狭缝调节在什么范围内较合适？

⑶装底片应该在什么条件下安装？

⑷如何降低激光的光强？

⑸测量光谱底片时要注意什么？

用小型棱镜摄谱仪测量激光的主谱线波长

实验目的：

１．了解棱镜摄谱仪的构造原理。

２．掌握棱镜摄谱仪的调节方法和摄谱技术。 ３．学会用照相法测定某一光谱线的波长。

实验仪器：

小型棱镜摄谱仪、光源(汞灯、钠灯、激光器)、读数显微镜

实验原理：

1、光谱和物质结构的关系：

每种物质的原子都有自己的能级结构，原子通常处于基态，当受到外部激励后，可由基态迁到能量较高的激发态。由于激发态的不稳定，处于高能级的原子很快就返回基态，此时发射出一定能量的光子的波长（或频率）由对应两能级之间的能量差ΔEi 决定。

ΔEi = Ei – Eo , Ei 和 Eo 分别表示原子处于对应的激发态和基态的能量。即

ΔEi = hvi = hc/λi 或 λi = hc/ΔEi 式中，I = 1, 2, 3, … ，h 为普朗克常数，c 为光速。 2、小型棱镜摄谱仪的基本光路：

狭缝S1 和准直镜（平行光管）L1 组成准直系统，将待测光先行会聚到狭缝上，以增加光强；棱镜P 作为色散元件，把投射到第一折射面的不同波长的平行光，经折射后分成沿不同方向的平行光（因为物质的折射率因波长而变）；照相物镜L2和焦平面F 处的记录材料组成光谱的接收系统。由于物镜L2将不同方向的平行光依次会聚在焦平面上。故形成光谱，为使整个光谱都清晰，焦平面F 的方位必须细心调节。

3、棱镜摄谱仪的构造

（１）准直管

准直管由狭缝S1和透镜L1组成。S1位于L1的物方焦平面上。被分析物质发出的光射入狭缝，经透镜L1后就成为平行光。实际使用中，为了使光源S 射出光在S1上具有较大的照度，在光源与狭缝之间放置会聚透镜L ，使光束会聚

*

S

测微目镜

在狭缝上。

（２）棱镜部分

主要是一个（或几个）棱镜P ，利用棱镜的色散作用，将不同波长的平行光分解成不同方向的平行光。

（３）读谱装置

包括测微目镜，使目镜水平方向左右移动的手轮、丝杠、滑块、导轨和支架，还包括读出目镜位置值用的标尺和100分度及手轮刻度，手轮转一圈平移1mm ，每分度0.01mm ，要求估读到0.1分度。测微目镜内的叉丝用以对准被测谱线中心。

4、线性插入法求待测波长

这是一种近似的测量波长的方法。一般情况下，棱镜是非线形色散元件，但是在一个教小的波长范围内（约几个nm 内），可以认为色散是均匀的，即谱线在底线上的位置和波长有线性关系，如波长为x λ的待测谱线位于已知波长1λ和

2λ谱线之间，如图所示，它们在底片上的位置可用读数显微镜测出，如用和分

别表示谱线1λ和2λ的间距及1λ和x λ的间距，那么待测谱线波长为：

x d

x 1

21λλλλ-+

= （a ）

如波长为

x

λ的待测谱线位于已知波长1λ和2λ谱线之外，如图所示，它们在底片

上的位置可用读数显微镜测出，如用和分别表示谱线1λ和2λ的间距及1λ和x

λ的

间距，那么待测谱线波长为：

x

d x

x -?-+

=)(211λλλλ （b ）

实验内容及步骤：

1.将汞灯光源和聚光镜L置于仪器准直系统的光轴上，使光源发出的光束聚

集到入射狭缝出，使光谱接收处能看到明亮的谱线；

2.将看谱管装置装好，将鼓轮调节到（中心波长435.8nm）4

3.58上

3.调节入射狭缝宽度（0.1mm左右）使谱线最清晰，通过看谱线管观察汞灯的

435.8nm（蓝）谱线，是否和看谱管视场内中心指针对齐。如果435.8nm(蓝)谱线与看谱线视场中心指针不对齐，就要调整。一般实验前已经调好不用再调节，如果误差太大。再进行调节；

4.把激光器放置于低压汞灯后面，保证激光器、低压汞灯、平行光管在同一

条直线上；

5.调节激光、汞灯光源，使光源发出的光束聚集到入射狭缝上；

6.用看谱管浏览激光光谱，找出已知谱线和待测谱线，在光谱中所在的位置；

7.将鼓轮调至43.58刻度上，换上读谱装置准备测量；

8.调节测微目镜左右移动的手轮，找出已知谱线和待测谱线，在光谱中所处

的位置；

9.用测微目镜位置主标尺和100分度手轮刻度副标尺，测量出已知谱线和待

测谱线之间的距离d、x，并记录。

实验数据表格：

待测未知谱线原始数据记录及表格

低压汞灯光谱和低压钠灯光谱标准波长表

实 验 报 告

实验仪器：

小型棱镜摄谱仪、光源(汞灯、钠灯、激光器)、读数显微镜

实验数据表格：

待测未知谱线原始数据记录及表格

数据处理：

mm

d d d d d d d 303.16/)308.1308.1297.1296.1290.1318.1(6

/)(654321=+++++=+++++=mm

x x x x x x x 705.06/)703.0703.0716.0696.0701.0709.0(6

/)(654321=+++++=+++++=

用外推法计算待测激光波长：

nm x

d x

x 93.636705

.0303.1705

.0)00.61244.623(44.623)(211=-?-+

=-?-+

=λλλλ

不确定度的计算：

仪器误差：mm inst 004.0±=? mm u inst

3

004.03

±

=?=

2

2

2

2222

6

1

2

220001058.01

6005

.0005

.0)006.0()007.0()013.0(015

.01

6)(mm

d d S

i i d

d

=-++-+-+-+=

--=

=∑

=σ

2

2

2

223

0003334

.0)

3

004

.0(0001058.0mm

u

S U d d =

±

+=+=

2

2

22

222

6

1

2

220000484.01

6)

002.0()002.0(011

.0)009.0()004.0(004

.01

6)

(mm

x x

S

i i

d

x

=--+-++-+-+=

--=

=∑=σ

2

2

2

223

0001612

.0)

3

004

.0(0000484.0mm

u

S U

x x

=

±

+=+=

由x

d d x

d x x --+

=--+

=)()(212211λλλλλλλ 得：

2

21)

()(x d x d x ---

=??λλλ

2

21)

()(x d d x

x ---

=??λλλ

nm

U x d d U x d x U x

U d

x

d x x d x x

39.0387.03

0001612

.0])

705.0303.1(303

.1)00.61244.623([3

0003334

.0])

705.0303.1(705

.0)00.61244.623([])

()([])

()([)(

)(

2

2

2

2

2

2212

22

212

22

2≈=?

-?--

+?

-?--

=---

+---

=

??+??=

λλλλλλσλ

相对不确定度：

%06.000061.093

.63639.0≈==

=

x

r x

x U U λλλ

实验结果：

待测激光的波长：

nm

x )39.093.636(±=λ， %06.0=x

r U

λ， 68.0=P

思考题

（1）狭缝调节在什么范围内较合适？

答：入射狭缝宽度0.1mm 左右。入射狭缝的宽度决定了谱线的宽度，0.1mm 左右可使谱线细锐可见，又便于测定各谱线的相应位置。 （2）如何降低激光的光强？

答：可以利用光栅降低激光的光强。在激光与狭缝之间放置一透射光栅，则沿着激光入射光线的方向为中央明纹，刚好还是射向狭缝，中央明纹的光强比原来激光的光强较为弱。