透射光栅特性研究(精)
光栅特性研究
望远镜支架 望远镜水平调节螺钉
调节 载物盘水平调节螺钉
①
④ 松开望远镜锁紧螺钉
载物盘水平、望远镜俯仰调节的特例
平面镜两侧面的反射像同时位于
d
d
或
时，只需调节载物盘的 水平调节螺钉
平面镜两侧面的反射像分别位于
d d
和
时，只需调节望远镜的 俯仰调节螺钉
2) 用自准直法将望远镜调焦到无穷远
⑵
⑶
⑴
反射像 叉丝像 透光窗 伸缩目镜筒
表1：透射光栅常数的测量
绿 546.1 nm
衍射-1级 次数 1 2 3 4 左端读数 衍射+1级
1
右端读数 2
左端读数 1
右端读数
2
5
6 平均
实验数据（汞灯光谱分析）
1数据记录
自拟数据记录表格。
测出汞灯各谱线的k =±1、 ±2的衍射角，计 算各谱线波长及百分误差。
表2：汞灯光谱的研究
a
b
d
f
k----------第级衍射角
----
如果已知光栅常数d，用分光计测出k级谱线
对应的衍射角k，则可求出该谱线对应的入射光
波长;若已知入射光的波长,则反过来可求光栅
常数d 。
仪器及调整
分光计一台 光源(汞灯)一个
平面反射镜一块
衍射光栅一块.
分光计介绍
分光计（又名分光测角仪）是用来精确 测量角度的仪器。分光计是光学实验的基本仪 器之一，通过角度的测量可以计算媒质折射率、 光波波长等相关的物理量，检验棱镜的棱角是
实验目的
1 ．熟悉分光计的调整和应用； 2．了解光栅分光的特点;
3．学会用光栅测定光栅常数的方法。
透射光栅特性的研究
透射光栅特性的研究一、实验的意义光栅是利用单缝衍射和多缝干涉原理使光波发生色散的光学元件，由大量相互平行、等宽、等间距的狭缝或刻痕所组成。
衍射光栅简称为光栅，一般具有较大的色散率和较高的分辨本领，故已被广泛地装配在各种光谱仪器中。
现代高科技可制成每厘米有上万条狭缝的光栅，它不仅适用于分析可见光成分，还能用于红外和紫外光，常被用来精确地测定光波波长及进行光谱分析。
光在传播过程中的衍射和散射等物理现象以及光的反射和折射等都与角度有关，一些光学量如折射率、波长、衍射条纹的极大和极小位置等都可以通过测量有关的角度去确定。
因此，在光学技术中，精确测量光线偏折的角度具有十分重要的意义。
分光计又称光学测角仪，是一种用于角度精确测量的典型光学仪器，常用来测量光波波长、折射率、色散率和观测光谱等，在光学实验中应用非常广泛。
分光计的基本光学结构是许多光学仪器（如棱镜光谱仪、光栅光谱仪、单色仪等）的基础，调整分光计的思想、方法和技巧在光学实验中具有一定的代表性，因而学会分光计的调整和使用有助于掌握更复杂的光学仪器。
二、实验的理论基础1 分光计(1) 分光计的结构：分光计主要由５个部分组成，即底座、望远镜、载物平台、准直管和读数盘，外形如图1所示．图11．狭缝宽度调节螺丝 2．狭缝套筒紧固螺丝 3．准直管 4．夹持架5．载物平台 6．望远镜筒 7．目镜套筒紧固螺丝 8．目镜视度调节手轮9．阿贝目镜照明灯 10．望远镜主轴水平调节螺丝11．载物平台锁紧螺丝 12．度盘 13．望远镜微调螺丝14．望远镜与度盘固定螺丝15．望远镜止动螺丝16．底盘17．游标微调螺丝18．游标盘止动螺丝19．载物平台水平调节螺丝20．准直管主轴水平调节螺丝①底座它是分光计的基座。
中心轴线是分光计的转轴，望远镜、载物平台和读数盘可绕中心转轴转动，准直管装在一个底脚的立柱上。
②自准直望远镜图2(a)为望远镜示意图．它由自准目镜、全反射直角棱镜、分划板(十字叉丝)，物镜组成。
物理实验六光栅的特性分析和应用
实验六 光栅的特性分析和应用光栅是根据多缝衍射原理制成的一种重要的分光元件，入射光在光栅上发生衍射，不同波长的光被分开，同时它还具有较大的色散率和较高的分辨本领。
利用光栅分光制成的单色仪和光谱仪在研究谱线结构、谱线的波长和强度进而研究物质的结构、做定量分析等方面有着广泛的应用。
同样，它还广泛应用于计量、光通信、信息处理等问题之中。
【实验目的】1．熟悉分光计的使用方法。
2．观察光线通过光栅后的衍射现象及特点。
3．用透射光栅测定光栅常量、光谱线的波长。
4．学会测定光栅的另外两个特征参数；色散率、分辨本领。
【实验仪器】分光计、汞灯及光栅等。
【实验原理】光栅在结构上有平面光栅、阶梯光栅和凹面光栅等几种，同时又分为透射式和反射式两类。
本实验选用透射式平面刻痕光栅。
透射光栅是在光学玻璃片上刻划大量相互平行、宽度和间距相等的刻痕而制成的。
当光照射在光栅面上时，刻痕处由于散射不易透光，光线只能在刻痕间的狭缝中通过。
因此光栅实际上是一排密集、均匀而又平行的狭缝。
若以单色平行光垂直照射在光栅面上，则透过各狭缝的光线因衍射将向各个方向传播，经透镜会聚后相互干涉，并在透镜焦平面上形成一系列被相当宽的暗区隔开的、间距不同的明条纹，因此光栅的衍射条纹是光的衍射和干涉的综合效果。
按照光栅衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定：λϕK b a k ±=+sin )(或⋯⋯=±=2,1,0,sin K K d k λϕ （1）此式称为光栅方程，式中，d=a+b 称为光栅常数，λ为入射光波长，K 为明条纹（光谱线）级数，k ϕ是K 级明条纹的衍射角（参看图 1 ）。
如果入射光不是单色光，则由式（1）可以看出，光的波长不同，其衍射角k ϕ也各不相同，于是复色光将被分解，而在中央K=0、k ϕ=0处，各色光仍重叠在一起，组成中央明条纹。
在中央明条纹两侧对称地分布着K=1、2……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单色光（见图1）。
透射式衍射光栅原理及应用
contents
目录
• 光栅基本概念与分类 • 透射式衍射光栅工作原理 • 透射式衍射光栅制作技术 • 透射式衍射光栅应用领域 • 透射式衍射光栅性能评价与优化 • 总结与展望
光栅基本概念与分类
01
光栅定义及作用
01
光栅是一种具有周期性结构的光 学元件，其作用是对入射光进行 衍射和干涉，形成特定的光谱分 布。
生的衍射波前，获取光学系统的波前畸变信息。
激光技术中应用
01
激光脉冲压缩
透射式衍射光栅可用于激光脉冲压缩技术中，通过对激光脉冲进行色散
补偿，实现激光脉冲宽度的压缩。
02
激光光束整形
在激光光束整形中，透射式衍射光栅可将激光光束分散成多个子光束，
通过调整子光束的相位和振幅，实现激光光束的整形和优化。
03
推动光学产业发展
透射式衍射光栅的研究和应用不仅促进了光学领域的技术进步，也 为光学产业的发展注入了新的活力。
未来发展趋势预测
高性能光栅的研制
新型光栅材料的探索
未来透射式衍射光栅的研制将更加注重高 性能指标的实现，如更高的分辨率、更低 的杂散光等。
随着材料科学的不断进步，未来有望出现 更多新型的光栅材料，以满足不同应用场 景的需求。
光学测量中应用
光学干涉测量
01
透射式衍射光栅可用于光学干涉测量中，产生相干光干涉条纹，
用于测量光学表面反射相移、光学元件折射率等。
光学传递函数测量
02
在光学传递函数测量中，透射式衍射光栅可作为标准光学元件，
用于测量光学系统的传递函数和成像质量。
光学波前测量
03
透射式衍射光栅可用于光学波前测量中，通过测量衍射光栅产
透射光栅反射光栅精品PPT课件
三、物质与光的相互作用： 1、折射和反射 2、散射 3、吸收和发射
二、光学分析法分类
光学分析法可分为光谱法和非光谱 法两大类。
１．光谱法 光谱法是基于物质与辐射能作用时，
测量由物质内部发生量子化的能级之间 的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射 的波长和强度进行分析的方法。
它又可分为吸收光谱法、发光光 谱法、散射光谱法三种。
λ
名 可见光 红外光 微波
无线电波
称
10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm
射 x射 紫外 红外
微
线线
光
光
波
无线 电波
可见光
２．表征电磁波特性的参数：
可以用波长λ、频率γ、速度c、 波数ω、能量等来表示其特性。
波长（λ）：表示相邻两个光波各 相应点间的直线距离（或相应两个波 峰或波谷间的直线距离）。
一、光分析法仪器的基本流程
光谱仪器通常包括五 个基本单元： 光源；单色器；样品；检 测器；显示与数据处理；
二、光分析法仪器的基本单元
1. 光源
依据方法不同，采用不同的光源：火焰、灯、激光、电火 花、电弧等；依据光源性质不同，分为：
连续光源：在较大范 围提供连续波长的光源， 氢灯、氘灯、钨丝灯等；
１）吸收光谱法：它是利用物质吸 收光后所产生的吸收光谱来进行分 析的方法。
２）发光光谱法：物质中的粒子 用一定的能量（如光、电、热等）激 发到高能级后，当跃迁回低能级时， 便产生出特征的发射光谱，利用此发 射光谱进行的分析的方法
３）散射光谱法：利用物质对光 的散射来进行分析的方法。
２．非光谱法：
线光谱
带光谱
《大学物理实验》2-19实验十九用透射光栅测光波波长及角色散率
《⼤学物理实验》2-19实验⼗九⽤透射光栅测光波波长及⾓⾊散率171k 实验⼗九⽤透射光栅测光波波长及⾓⾊散率衍射光栅是⼀种分光元件，由于其基质材料不同⽽有透射光栅和反射光栅两类。
它们都相当于⼀组数⽬很多，排列紧密，均匀的平⾏狭缝，透射光栅是⽤⾦刚⽯在⼀块平⾯玻璃上刻划⽽成的。
反射光栅则是刻划在精研过的硬质⾦属⾯上，⽤这种⽅法刻制的光栅，由于要求⾮常精密，因⽽制造困难，所以价格⾮常昂贵，⽽平常所⽤的光栅⼤都是复制品。
如今由于单⾊性好的激光的出现，应⽤其⼲涉原理制成了全息光栅，制造容易，价格便宜，从⽽使得光栅摄谱仪在现代技术上有极其⼴泛的应⽤，光栅实验也得以普及。
本实验⽤的光栅是⼀块透射光栅。
⼀、实验⽬的1．了解分光计的结构，学会正确的调整⽅法； 2．加深对光的衍射理论及光栅分光原理的理解； 3．学会⽤透射光栅测定光波波长、光栅常数及⾓⾊散率。
⼆、实验原理1. 光栅衍射及光波波长的测定根据夫琅⽲费衍射理论，若以单⾊平⾏光垂直地⼊射到透射光栅上（如图1所⽰），当满⾜光栅⽅程：sin d θλ= (k =0, 1,2±±,……) （１）时，θ⽅向的光将加强，其它⽅向的光将减弱甚⾄完全抵消。
式中θ是衍射⾓，d 是缝距⼜常称为光栅常数（d = a + b ，其中a 是刻痕宽度，b 为狭缝宽度），k 为衍射光谱的级数，λ是光的波长。
如果⽤会聚透镜将这些衍射后的光会聚起来，可以在透镜的焦平⾯上看到衍射后的光谱。
图１光栅衍射原理图由光栅⽅程可知，对于所有波长的光，其零级谱线都在θ＝0的⽅向上，其它各级谱线对称地分布在零级条纹两侧。
当已知光栅常数d 时，只要测出第 k 级(实验中取k ＝1)谱线的衍射⾓θ，就可以求得产⽣衍射的光波的波长λ。
反之，⼊射光波长λ已知，通过测定衍射⾓θ，图2 光栅光谱⽰意图172便可求出光栅常数d 。
2. 光栅的⾓⾊散率如果光源中包含⼏种成份的光波，根据衍射⽅程，在同⼀级谱线(除零级外)中，不同波长的光波就有不同的衍射⾓θ，从⽽在同⼀级谱线中形成多条单⾊谱线，如图2所⽰。
实验四十光栅特性的研究
实验八 光栅特性的研究衍射光栅是利用光的衍射原理使光波发生色散的光学元件．它由大量相互平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）组成．以衍射光栅为色散元件组成摄谱仪或单色仪是物质光谱分析的基本仪器之一，在研究谱线结构，特征谱线的波长和强度；特别是在研究物质结构和对元素作定性与定量的分析中有极其广泛的应用．【实验目的】1．进一步熟悉光学测角仪的调整和使用；2．测量光栅的特性参数；3．从测定钠灯和汞灯光谱在可见光范围内几条谱线的波长过程中，观测和研究光栅的衍射现象．【实验原理】1．光栅衍射有大量等宽间隔的平行狭缝构成的光学元件成为光栅．设光栅的总缝数为N ，缝宽为a ，缝间不透光部分为b ，则缝距d = a + b ，称为光栅常数．按夫琅和费光栅衍射理论，当一束平行光垂直入射到光栅平面上时，通过不同的缝，光要发生干涉，但同时，每条缝又都要发生衍射，且N 条缝的N 套衍射条纹通过透镜后将完全重合．如图1所示，当衍射角θ 满足光栅方程d sin θ = k λ（k = 0、±1、± 2、 …）时，任两缝所发出的两束光都干涉相长，形成细而亮的主极大明条纹．2．光栅光谱单色光经过光栅衍射后形成各级主极大的细亮线称为这种单色光的光栅衍射谱．如果用复色光照射，由光栅方程可知不同波长的同一级谱线（零级除外）的角位置是不同的，并按波长由短到长的次序自中央向外侧依次分开排列，每一干涉级次都有这样的一组谱线．在较高级次时，各级谱线可能相互重叠．光栅衍射产生的这种按波长排列的谱线称为光栅光谱．评定光栅好坏的标志是角色散率和光栅的分辨本领．（1）λϕψd d =称为光栅的角色散率，由d sin ϕ = k λ 可知 k p d k d d cos ==λϕψ （1）（2）根据瑞利判据，光栅能分辨出相邻两条谱线的能力是受限制的，波长相差Δλ的两条相邻的谱线，若其中一条谱线的最亮处恰好落在另一条谱线的最暗处，则称这两条谱线能 - 44 -被分辨．设这两条谱线的平均波长为λ，则它们的波长可分别表示为2λΔλ+和2λΔλ−．可以证明，对于宽度一定的光栅，当分辨本领按λΔλ=R 定义时，其理论极限值Rm = kN = L d k ，而实测值将小于kN ，式中N 为参加衍射的光栅刻痕总数，L 为光栅的宽度．显然，R 与光谱级数k 以及在入射光束范围内的光栅宽度L 有关．应该指出，光栅的分辨本领R 是与被分辨光谱的最小波长间隔相联系的，对于任意两条光谱线来说，虽然受R 的限制，但也可以用改变光栅总宽度L 的办法来确定分开此两条谱线所必须的最小宽度值L 0．若入射光束不是垂直入射至光栅平面（图2），则光栅的衍射光谱的分布规律将有所变化．理论指出：当入射角为i 时，光栅方程变为d （sin ϕ ± sin i ）= k λ（k = 0、±1、± 2、…）， （2）式（2）中，+ 号表示衍射光与入射光在法线同侧，- 号则表示衍射光与入射光位于法线异侧．【实验仪器】光学测角仪，不同光栅常数的全息光栅，自准反射平玻片，照明小灯，汞灯，钠灯，激光器等．【实验内容】1．根据实验室提供的光学测角仪，阅读仪器说明书，拟订调整仪器的程序和确定实验的具体任务；2．测出所给全息衍射光栅的四个主要性能参数：光栅常数d 、角色散率ψ、在特定缝宽下的分辨本领R ；3．利用所给光栅测出钠灯的钠双线（即D 1、D 2线）、He-Ne 激光器的激光波长和汞灯的谱线波长值，要求测量结果的精确度E λ ≤ 0.1%；- 45 -4．确定光栅所能观察到的各光谱线的最高衍射级数，记录不同的衍射级上各光谱线排列的顺序，测量各条光谱线的角宽度；5．将光栅光谱与棱镜光谱作一比较．【注意事项】1．实验前应复习光学测角仪、钠光灯、汞灯、全息光栅等有关知识，严格按光学仪器使用维护规则操作．2．实验过程中，各仪器、光源、元件的相对位置不要随意挪动，以免影响其他组实验或变更实验条件．【思考题】1．试比较光栅光谱与棱镜光谱各自的特点．2．试根据实验时同一级正、负衍射光谱的对称性，判断光栅放置的位置；并利用这种现象将光栅调至正确的工作位；当同一级正负衍射角不等时，试估算入射光束不垂直的程度（入射角的大小）．3．当实验光栅的N减小时（利用黑纸卡片），观察并分析说明衍射光谱变化的特点和规律．试用实验测出刚能分辨钠双线（D1和D2）所需的最小光栅宽度L D，L D的实验值理论预期值是否一致？4．试设想出一种能检测出发光二极管出射光波长范围的实验方法．5．利用给定光栅（d一定）观察He-Ne激光、钠光或汞灯光谱中任一条谱线，估算所能观测到的最高衍射级次．6．同一块光栅对不同波长的光，其最高衍射级数是否相同？不同波长的谱线宽度是否一致？同一波长不同衍射级数的光谱宽度是否相同？为什么？【参考资料】[1] 林抒，龚镇雄．普通物理实验．人民教育出版社，1982[2] 母国光．光学．人民教育出版社，1979[3] 威廉.H.卫斯特发尔．物理实验．上海科学技术出版社，1964[4] M.弗朗松．衍射——光学中的相干性．科学出版社，1982[5] A.M.波蒂斯、H．D．杨，《大学物理实验》，科学出版社，1982[6] F.J.Buehcc，物理实验导论（下册），人民教育出版社，1985[7] 何乃宽．光学仪器分辨率三种判据的比较．大学物理1988．No.8[8] 刘慎秋，郭大浩．平面透射光栅入射角为零的调节方法．物理实验．V ol.6 No.5- 46 -。
光栅特性及测定光波波长实验报告
实验名称：光栅特性及测定光波波长目的要求1. 了解光栅的主要特性2. 用光栅测光波波长3. 调节和使用分光计仪器用具1. JJY型分光计2. 透射光栅3. 平面镜4. 汞灯5. 钠光灯6. 可调狭缝7. 读数显微镜实验原理实验所用的是平面透射光栅，它相当于一组数目极多、排列紧密均匀的平行狭缝。
根据夫琅禾费衍射理论，当一束平行光垂直的投射到光栅平面上时，光通过每条狭缝都发生衍射，有狭缝射光又彼此发生干涉。
凡衍射角符合光栅方程：φkλsin（k=0，±1，±2，…）d=在该衍射角方向上的光将会加强，其他方向几乎完全抵消。
式中φ是衍射角，λ是光波波长，k 使光谱的级数，d 是缝距，称为光栅常数，它的倒数1／d 叫做光栅的空间频率。
当入射平行光不与光栅表面垂直时，光栅方程应写为：λφk i d =−)sin (sin （k =0，±1，±2，…）若用会聚透镜把这些衍射后的平行光会聚起来，则在透镜的后焦面上将会出现一系列的亮点，焦面上的各级亮点在垂直光栅刻线的方向上展开，称为谱线。
在φ＝0的方向上可以观察到中央极强，即零级谱线。
其他 ±1，±2，…级的谱线对称的分布在零级谱线两侧。
若光源中包含几种不同波长的光，对不同波长的光，同一级谱线将有不同衍射角φ，因此在透镜的焦面上出现按波长次序级谱线级次，自第0级开始左右两侧由短波向长波排列的各种颜色的谱线，称为光栅衍射光谱。
用分光计测出各条谱线的衍射角φ，若已知光波波长，即可得到光栅常数d ；若已知光栅常数d ，即可得到待测光波波长λ。
分辨本领R: 定义为两条刚好能被该光栅分辨开的谱线的波长差△λ≡λ2－λ1去除它们的平均波长：λλ∆≡R ， R 越大，表明刚刚那个能被分辨开的波长差△λ越小，光栅分辨细微结构的能力就越高。
由瑞利判据可以知道：kN R =其中N 是光栅有效使用面积内的刻线总数目。
角色散率D: 定义为同一级两条谱线衍射角之差△φ与它们的波长差△λ之比。
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透射光栅特性研究
【学习重点】
1.了解分光仪的结构原理和调节方法
2.了解光栅的分光特性
3.测量光栅常数和利用光栅测量波长
【仪器用具】
分光仪、平面透射光栅、平面反射镜、低压汞灯
【预习重点】
1.分光仪的结构原理及其调节方法和要求
2.光栅的特性及其如何调节光栅
3.测量光栅常数及利用光栅测量波长
【背景知识】
1. 分光仪是一种测量光束偏转角的精密仪器，它可以精确地测量平行光的偏转角，是光学实验中的一种常用的仪器。
分光计主要由三部分：望远镜，平行光管和主体(底座、度盘和载物台)组成。
附件有小灯泡、小灯泡的低压电源以及看度盘的放大镜。
望远镜的目镜叫做阿贝目镜，如图1所示，可以将小灯泡的光引入分划板，当分划板的位置刚好在望远镜的焦平面上时，从载物台上放置的平面镜上反射回来的光正好落在分划板上形成一个清晰的十字象。
利用这个原理可以将望远镜调好(出射平行光以及使望远镜的主轴与仪器主轴垂直)，当望远镜调好后就可以利用望远镜调节平行光管，此时就可以进行光线的角度的测量了。
2.光栅是一组紧密均匀排列的狭缝。
用刻线机在透明玻璃片上刻出痕宽为ｂ（不透光部分）、
缝宽为ａ（透光部分）的Ｎ条平行狭缝，就构成了一个透射光栅。
而ｄ＝ａ＋ｂ即为光栅常数，如图2（ａ）所示。
当一束单色平行光垂直射到光栅平面上时，将发生衍射（如图2（ｂ））。
衍射光的主极大位置由光栅公式ｄｓｉｎφ＝ｋλ（ｋ＝０，±１，±２，…）决定。
其中：ｄ为光栅常数；φ为衍射角；ｋ为衍射级次；λ为入射光的波长。
图2 光栅衍射
（ａ）光栅常数ｄ（ｂ）垂直入射时的光栅衍射光栅有以下特性参数。
（１）光栅常数ｄ。
d=a+b，a为光栅狭缝宽度，b为相邻狭缝间不透明部分宽度。
(２)光栅的角色散率Ｄ。
Ｄ＝ｄφ／ｄλ，定义为单位波长间隔两单色谱线之间的角距离。
根据光栅公式ｄｓｉｎφ＝ｋλ，有Ｄ＝ｄφ／ｄλ＝ｋｄｃｏｓφ。
（３）光栅的分辨本领Ｒ。
由于谱线有一定的宽度，当两条谱线靠得近，到一定程度时将不能被分辨。
通常把波长λ与该波长附近刚能分辨的最小波长差Δλ之比作为光栅的分辨本领，即Ｒ＝λ／Δλ。
可以证明，光栅的分辨本领Ｒ的理论值Ｒ＝ｋＮ＝ｋＬ／ｄ，Ｌ为光栅的有效宽度，Ｎ为参与光栅衍射的总光束数。
3. 对光栅的调整要求
（１）光栅面必须垂直准直管，使平行光正入射于光栅上。
光栅放置如图3所示.(注为什么如此放置光栅?)
（２）光栅刻痕应平行于仪器转轴。
（否则会有什么现象产生？）
根据汞光谱中绿线的波长,利用光栅公式求其光栅常数,测定汞光谱中两条黄线的波长及其汞黄线处的波长.注意:本实验过程中,有一个因数没有考虑在内,就是光栅.为了消除光栅本身产生的误差,我们将怎么读衍射角,如何解决这一问题?。