自主光栅光谱仪实验

自组式光栅光谱仪

一、实验目的

1、了解光栅的分光原理及主要特性；

2、了解光栅光谱仪的工作原理；

3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法。

二、实验仪器

1低压汞灯及电源：2狭缝及固定调节架1个:0～2mm；3一维光栅及干板调节架1个；4、透镜及固定调节架3个（焦距f=60mm、焦距f=60mm、焦距f=200mm）；

5、白板1个；

6、读数显微镜及固定调节架1个。

三、实验原理

本实验用的是透射光栅，是用光学玻璃片刻制而成的(如图5-11-1)。当光照射到光栅表面时，刻痕处不透光。只有在两刻痕之间的光滑部分，光才能通过，相当于一条狭缝，因此，光栅实际上是一密排、均匀而又平行的狭缝。设a为缝宽，b为刻痕宽度，d=a+b称为光栅常数。

由夫琅和费衍射理论，当波长为λ的平行光束垂直照射到光栅平面时，在每一狭缝处都产生衍射，但由于各缝发出的衍射波都是相干光，彼此又产生干涉。这样就会在光栅后面的屏上形成一系列被相当宽的暗区隔开的亮度大、宽度窄的明条纹，成为谱线（如图5-11-2）。

如图5-11-3所示，设S为位于透镜L1第一焦平面上的细长狭缝，Ｇ为光栅，光栅的常数为d，L1射出的平行光垂直地照射在光栅Ｇ上。透镜L2将与光栅法线成θ角的衍射光会聚于其第二焦平面上的Pθ点。由夫琅和费衍射理论知，相邻两缝对应点出射的光束之光程差为：∆ = (a + b)sinθ = d sinθ 当衍射角符合下列条件:

d sinθ = kλ k = ±1, ± 2, ± 3, ..., ± n （5-11-1）

该衍射角方向的光将会得到加强，叫做主极大，形成明纹；其他方向的衍射光线或者完全抵消，或者强度很弱，几乎成暗背景。（5-11-1）式称为光栅方程，其中：λ为单色光波长，k称为光谱线的级数。在k=0的方向上可观察到中央极强，称为零级谱线，其它谱线则对称地分布在零级谱线的两侧，如图5-11-2所示。

图5-11-3 平行光通过光栅

当k＝０时，任何波长的光均满足（5-11-1）式，亦即在θ = 0 的方向上，各种波长的光谱线重叠在一起，形成明亮的零级光谱；对于k 的其它数值，不同波长的光谱线出现在不同的方向上（θ的值不同），从而在不同的位置上形成谱线，称为光栅谱线。而与k的正负两组相对应的两组光谱，则对称地分布在零的光谱两侧。

若光栅常数d 已知，在实验中测定了某谱线的衍射角θ和对应的光谱级k ，则可由（5-11-1）式求出该谱线的波长λ；反之，如果波长λ是已知的，则可求出光栅常数d 。

四、实验内容

1、自组装置光栅光谱实验仪，实验装置图见图2所示。

光源发出的光经过60mm透镜会聚到狭缝上，光线经过狭缝（狭缝放置在200mm 透镜的前焦面上），从200mm透镜出来的光为平行光，再入射到光栅上。通过光栅衍射的光成像于60mm透镜的后焦平面上（实为无穷远处可调狭缝的像）。

图2自组光栅光谱仪实验装置图

2、在60mm透镜后放置读数显微镜，读数显微镜前端据60mm透镜约120mm。通过读数显微镜观察光谱的像，并前后左右移动读数显微镜，使光谱的0级和1级的光条纹完整清晰的呈现在读数显微镜中，0级不要放在视场中心，要放在一侧，否则可能看不见1级条纹（由于读数显微镜的视场有限，不太可能同时观察到正负一级条纹）。

3、粗调时，可将可调狭缝调的比较宽，以增加干涉条纹亮度，方便调试。光路调整完毕后，即可调细狭缝便于测量。

4、用读数显微镜测量各衍射亮条纹距0级的距离，通过透镜焦距和这个距离可以算出各亮条纹的衍射角。

5、最后将光栅片轻轻取下，放在显微镜载物台上，用金相显微镜观察光栅结构并测量光栅常数d。（测量光栅常数方法见附件一）

6、运用光栅公式d sinθm=±mλ（m=1），求出光谱线的波长。

汞灯发出的可见光光谱谱波长为：404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm；

附件一

1.打开软件:双击上图箭头所指的软件图标

软件打开后如下图所示

2．选择摄像头，单击上图箭头所指摄像头名称

选择完摄像头摄像头开始工作如下图（因为没放东西所以视野是空白的）

3.打开显微镜主开关，调节照明系统使目镜视场均匀明亮；将光栅片轻置在显微镜载物台上，选择物镜并仔细调焦，要求目镜视场中清晰观察到光栅面上的均匀刻痕，利用计算机软件测量光栅常数d。

4．测量

测量前先选择相应的定标数据---物镜是多少倍就选择多少倍（见下图圈中菜单）；

再选择相应的测量工具（见工具栏里划线）

现在用的线段选择线段之后在测量的起点单击一下左键终点单击一下左键

如想删除不需要测量的结果选择图中红框中的箭头图标然后选中想要删除的数据按下键盘上的（DELETE)键。

附件二：

金相显微镜简单说明

目镜

物镜转换器镜

物镜

载物台

1.调光开关：控制光源亮度

2.左粗调焦手轮：前后旋转调节焦距（右侧也有功能一样）

3.左微调焦手轮：：前后旋转调节细微焦距（右侧也有功能一样）

4.锁紧套：进行固定以方便观察

5.视度调节环：如果右眼清晰左眼不清晰可通过它调节

6.瞳距指示牌：调节瞳距

7.视场光阑：左右移动调节视野范围

8.孔径光阑：左右移动调节光的通过量大小

9.聚光镜调节杆：左右移动消灯丝像

1.主开关：总电源开关

2.又粗调焦手轮：前后旋转调节焦距（左侧也有功能一样）

3.纵向调节手轮：旋转手轮载物台前后移动

4.横向调节手轮：旋转手轮载物台左右移动