一、光栅衍射基本原理
光学衍射光栅的原理与应用
光学衍射光栅的原理与应用光学衍射光栅是一种利用光的衍射现象进行光学分析和测量的重要光学元件。
它的原理基于光波在通过光栅时会发生衍射现象，从而产生一系列衍射光束，这些光束之间的干涉和衍射效应可以被用来进行光学分析和测量。
本文将介绍光学衍射光栅的原理、分类以及应用领域。
## 一、光学衍射光栅的原理光学衍射光栅的原理基于光的波动性质。
当平行入射的光线照射到光栅上时，光波会在光栅的周期性结构上发生衍射，形成一系列衍射光束。
这些衍射光束的强度和方向取决于光栅的周期、衍射角度以及入射光的波长等因素。
光学衍射光栅根据其结构可以分为振动光栅和位相光栅两种类型。
振动光栅是通过周期性地改变光栅的折射率或透射率来实现衍射效应，而位相光栅则是通过改变光栅的光程差来实现衍射效应。
不同类型的光栅在应用中具有各自的优势和特点。
## 二、光学衍射光栅的应用光学衍射光栅在光学领域有着广泛的应用，主要包括光谱分析、波长测量、光学成像等方面。
### 1. 光谱分析光学衍射光栅在光谱仪中被广泛应用。
通过光栅的衍射效应，可以将入射光线分散成不同波长的光束，形成光谱。
利用光栅的衍射特性，可以对光谱进行分辨、测量和分析，从而获得样品的光谱信息，广泛应用于化学分析、光谱学研究等领域。
### 2. 波长测量光学衍射光栅也被用于波长的精确测量。
通过测量衍射光束的角度或位置，可以计算出入射光的波长，实现对光波长的准确测量。
这在光学实验和精密测量中具有重要意义，例如在激光技术、光通信等领域的应用中发挥着关键作用。
### 3. 光学成像光学衍射光栅还可以用于光学成像。
通过设计特定结构的光栅，可以实现对光场的调控和成像，例如产生特定形状的光斑、实现光学信息的编码和解码等。
这些应用在光学显微镜、光学信息处理等领域有着重要的应用前景。
## 三、结语光学衍射光栅作为一种重要的光学元件，具有广泛的应用前景和研究价值。
通过深入理解光学衍射光栅的原理和特性，可以更好地发挥其在光学分析、测量和成像等方面的作用，推动光学技术的发展和创新。
谈谈光栅衍射的原理和应用
谈谈光栅衍射的原理和应用1. 光栅衍射的基本原理光栅衍射是指当光波通过一个具有规则结构的光栅时，光波会在光栅上发生衍射现象。
光栅是一种具有一定周期性的结构，由相互平行、等间距的透明区域和不透明区域交替构成。
在光栅中，透明区域的宽度称为缝宽，不透明区域的宽度称为缝隙。
光栅常见的类型有刻线光栅和石印光栅。
当光波通过一个光栅时，光波会相互干涉，产生明暗相间的光斑模式。
这是因为光栅对光波的传播方向产生了改变，在不同的方向上产生了不同的光程差，导致干涉现象。
根据洛特吕格公式，光栅衍射的主要特点包括衍射角和衍射级数。
1.1 衍射角光栅衍射的主要特点之一是在不同的观测角度下，光栅上的衍射光斑呈现出不同的位置和形状。
观察到的光斑位置和形状由衍射角决定。
衍射角是入射波与相应衍射方向的法线之间的夹角。
1.2 衍射级数衍射级数是指在光栅上观察到的衍射光斑的数量。
光栅会产生一系列的明暗相间的光斑，其中第一级衍射光斑是最亮的，其他级别的光斑随衍射级数的增加逐渐减弱。
衍射级数的数量取决于光栅的周期和光波的波长。
2. 光栅衍射的应用光栅衍射广泛应用于许多领域，如光学仪器、光学通信、光学传感器和光谱分析等。
以下列举几个常见的应用：2.1 光学光谱仪光学光谱仪是利用光栅衍射原理来分析和测量光的频谱特性的仪器。
光谱仪通过光栅衍射将复杂的光波分解成不同频率的光波，从而得到光的频谱信息。
光谱仪广泛用于物质组成分析、光谱测量和光学传感等领域。
2.2 光学通信光栅衍射在光学通信中起到重要的作用。
光栅衍射可用于光的调制和解调，将数据信号转化为光波信号进行传输。
光栅衍射还可用于光纤光栅传感器，通过对光波传播过程的监测和分析，实现对光纤中物理、化学或生物参数的测量。
2.3 衍射成像光栅衍射在成像领域也有广泛应用。
通过光栅衍射，可以改变光波的传播方向和相位分布，实现对光波的操控和控制，进而实现对图像的转换、放大和成像等功能。
衍射成像在光学显微镜、干涉望远镜和光学信息处理等领域得到了广泛的应用。
11大学物理实验光栅衍射
三、数据处理
计算绿光、黄1和黄2三种波长成分的衍射角 及不确定度，正确表示结果。 （分光计测量角度时，B类不确定度取1分） 以绿光的衍射角计算光栅常数d及其不确定度， 正确表示结果（绿光波长为546.1nm） 。
cos d 2 sin
使用上一步计算出的光栅常数和两条黄线的 衍射角计算黄光的波长，并与已知值(p369) 比较，计算定值误差。
光栅衍射
衍射光栅是利用多缝衍射原理使光发生色散的 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。由于光栅具有较大的色散 率和较高的分辨本领，它已被广泛地装配在各 种光谱仪器中。
光栅按不同分类方法可分为透射型和反射型光 栅或振幅型和位相型光栅，本实验使用的是透 射型振幅光栅。
一、实验原理
注意，测量之前务必把望远镜与外刻度盘固 定在一起。
测量衍射角 以绿光为例，转动望远镜，使-1级与分划板 垂线重合，读角位置θ1和θ′1，再测+1级角位 置θ2和θ′2，则1级绿光的衍射角θ为：
1 1 2 1 2 4
测量时，从最右端的黄2光开始，依次测黄2、 黄1，绿光，· · · · · · 直到最左端的黄2光，重复 测量三次。
1、光栅分光原理 光栅透光部分宽为a， 不透光部分宽为b， d=a+b称为光栅常数。
a
d
b
波长为λ的单色平行光垂直照射光栅时，出射角 θ满足如下光栅方程时，得到衍射主极大。
d sin k
(k 0,1,2)
光栅常数d，波长λ以及衍射角θ三个量，已知其 中两个，则第三个可由光栅方程求得。
Leabharlann 黄123 1
黄2
2 3
本实验用分光计的准直管获得平行光，垂直照 射光栅后的衍射图样通过望远镜的物镜聚焦到 分划板上，进行观察和读数。
光栅知识点总结
光栅知识点总结一、光栅的工作原理1. 衍射原理光栅的工作原理基于衍射原理。
当平行光波照射到光栅上时，光波会发生衍射现象。
栅距（即光栅的周期）决定了衍射角度，而光栅的几何形状决定了衍射光波的干涉程度。
通过控制光栅的周期和几何形状，可以实现对光波的分光和波长选择。
2. 衍射效率衍射效率是衡量光栅性能的重要指标之一。
在衍射现象中，只有特定的波长和入射角才能得到明显的衍射光波，而其他波长和角度的光波会被衰减。
衍射效率是指特定波长的衍射光波的能量占入射光波总能量的比例。
高效率的光栅可以提高分光和波长选择的性能。
3. 分光能力光栅具有很强的分光能力，可以有效地将入射光波按照不同波长进行分离。
这使得光栅在光谱分析和波长选择方面有着广泛的应用。
通过调整光栅的参数，可以实现对不同波长的光进行精确的分离。
4. 分辨率分辨率是衡量光栅性能的另一个重要指标。
它指的是光栅在分光过程中能够分辨出相邻两个波长的能力。
高分辨率的光栅可以更清晰地分离出不同波长的光波，这对于光谱分析和成像系统的性能至关重要。
5. 光栅的工作方式光栅可以分为反射光栅和透射光栅两种类型。
反射光栅是将入射光波反射到光栅表面上，并通过衍射现象实现分光；而透射光栅是将入射光波穿透光栅，并在另一侧通过衍射效应来实现分光。
两种光栅都有其特定的应用场景和性能特点。
二、光栅的种类1. 棱镜光栅棱镜光栅是一种将光波折射和衍射相结合的光学器件。
它将入射光波按照不同波长进行分散，并形成彩色的光谱。
棱镜光栅在分光和波长选择方面具有重要的应用价值。
2. 衍射光栅衍射光栅是利用衍射原理来实现分光和波长选择的光学器件。
它具有可调谐性和高分辨率等优点，广泛应用于激光光谱仪、光纤通信系统和激光器等设备中。
高阶光栅是一种能够产生高阶衍射光波的光学器件。
它可以实现多级衍射，并对入射光波进行更细致的分光。
高阶光栅在微纳光学领域有着重要的应用。
4. 液晶光栅液晶光栅是利用液晶材料的电光效应来调控光栅的周期和形状，从而实现对光波的分光和波长选择。
光栅衍射的原理及应用
光栅衍射的原理及应用原理光栅衍射是一种光的波动现象，当光通过具有周期性结构的光栅时，会产生衍射现象。
光栅是由一系列平行且等间距的透明或不透明线条构成的光学元件。
根据光波的干涉理论，当光通过光栅时，每个光栅的线条都会成为光波的次级波源，这些次级波源将会发生干涉。
根据光波的相位差，光栅衍射可以分为两类：振幅衍射和相位衍射。
振幅衍射是指光栅上的线条会使到达观察点的光波的振幅发生变化，从而产生明暗条纹。
相位衍射是指光栅上的线条会改变到达观察点的光波的相位，从而产生干涉条纹。
光栅衍射的强度分布可以通过衍射方程来描述。
衍射方程是根据透射或反射光栅产生的光强分布与入射光波的波长、入射角度、光栅常数及条纹次序之间的关系。
应用1. 光谱分析光栅衍射广泛应用于光谱仪中。
光通过光栅后，会被分解成不同波长的成分，从而形成光谱。
光栅衍射的特点是可以同时处理多个波长的光信号，并且可以提供高分辨率的光谱。
2. 显微镜中的分辨率提升在显微镜中，光栅衍射可以用来提高图像的分辨率。
通过在物镜前面添加一个光栅，可以在样品的背景中生成干涉条纹，从而提高图像的清晰度和细节。
3. 光学编码器光栅衍射在光学编码器中起着重要作用。
光学编码器是一种用于测量位置、速度和角度的设备，利用光栅衍射原理来实现高精度的测量。
通过检测光栅上的干涉条纹，可以确定位置或移动方式。
4. 光栅显示技术光栅显示技术被广泛应用于现代平板显示器和投影仪中。
光栅衍射器件通过控制不同光栅的亮度，可以产生高分辨率的图像。
光栅显示技术具有显示效果好、图像清晰且节约能源的特点。
5. 光栅光谱仪光栅光谱仪是一种用于精确测量光波波长的设备。
通过利用光栅的衍射效应，可以将不同波长的光分散成不同的角度，从而测量出光谱中各个成分的波长。
6. 光纤通信在光纤通信中，光栅衍射可以用于光纤光栅的制造和测量。
光纤光栅是一种用于调制和控制光纤传输特性的器件，通过对光栅的精确控制，可以实现光信号的调制和解调。
光栅衍射原理
光栅衍射原理光栅衍射是一种重要的光学现象，它是光波通过光栅时发生的一种衍射现象。
光栅是一种具有周期性透明和不透明条纹的光学元件，当光波通过光栅时，会发生衍射现象，产生一系列亮暗相间的衍射条纹。
光栅衍射原理是基于赫姆霍兹衍射定律和夫琅禾费衍射原理的基础上，通过光栅的周期性结构和光波的相互干涉作用来解释光栅衍射现象。
在光栅衍射中，光波通过光栅时会受到光栅周期性结构的影响，使得光波在不同方向上发生相位差，进而产生衍射现象。
光栅衍射的主要特点包括衍射角度与波长、光栅间距和衍射级数之间的关系、衍射条纹的亮暗分布规律等。
通过对光栅衍射的研究，可以深入理解光的波动性质和光学干涉、衍射的规律，对于光学领域的研究和应用具有重要意义。
光栅衍射原理的基本思想是，光栅的周期性结构能够使入射光波发生相位差，进而产生衍射现象。
光栅的周期性结构可以被描述为光栅常数d，它是光栅上相邻两个透明或不透明条纹之间的距离。
当入射光波通过光栅时，不同波长的光波会在不同的角度上产生衍射，而不同级数的衍射条纹则对应着不同的衍射角度。
这些衍射条纹的亮暗分布规律可以通过光栅衍射方程和衍射级数公式来描述和计算。
光栅衍射原理的研究对于光学领域具有广泛的应用价值。
例如，在光谱分析领域，可以利用光栅衍射的特性来分析物质的光谱特征，实现光谱的分辨和测量。
在激光技术中，光栅衍射可以用来调制和分析激光的空间和频率特性，实现激光的调制和控制。
在光学成像领域，光栅衍射可以应用于光学显微镜、光学望远镜等光学成像设备中，提高成像的分辨率和清晰度。
总之，光栅衍射原理是光学领域中的重要理论基础，它通过对光波的衍射现象进行深入研究，揭示了光的波动性质和光学干涉、衍射的规律。
光栅衍射的研究不仅对于光学理论的发展具有重要意义，而且在光学技术和应用中具有广泛的应用前景。
通过对光栅衍射原理的深入理解和应用，可以推动光学领域的发展，促进光学技术的创新和进步。
大学物理光栅衍射
大学物理光栅衍射光栅衍射是大学物理中的一项重要内容，它涉及到光的波动性和干涉原理。
本文将从光栅衍射的原理、实验装置、实验方法和结论等方面进行介绍。
一、光栅衍射原理光栅是一种具有周期性结构的衍射器件，它由许多平行且等距的狭缝构成。
当光通过光栅时，会产生一系列明暗相间的衍射条纹，这种现象被称为光栅衍射。
光栅衍射的原理是基于光的波动性和干涉原理。
根据波动理论，光在通过光栅时会产生衍射现象，即光波偏离了直线传播路径。
同时，由于光波的干涉作用，不同狭缝产生的光波相互叠加，形成了明暗相间的衍射条纹。
二、实验装置实验装置主要包括光源、光栅、屏幕和测量工具等。
光源通常采用激光器或汞灯等高亮度光源，以便产生足够的光强度。
光栅是一块具有许多狭缝的透明板，狭缝的数目和间距可以根据实验需要进行选择。
屏幕用于接收衍射条纹，测量工具用于测量衍射条纹的间距和亮度。
三、实验方法实验时，首先将光源、光栅和屏幕按照一定距离放置，确保光束能够照射到光栅上并产生衍射条纹。
然后，通过调整光源的角度和位置，观察衍射条纹的变化。
同时，使用测量工具对衍射条纹的间距和亮度进行测量和记录。
为了获得准确的实验结果，需要进行多次测量并取平均值。
四、结论通过实验，我们可以得出以下1、光栅衍射现象是光的波动性和干涉原理的表现。
2、衍射条纹的间距和亮度受到光源角度和位置的影响。
3、通过测量衍射条纹的间距和亮度，可以推断出光源的角度和位置。
4、光栅衍射现象在光学测量和光学通信等领域具有广泛的应用价值。
大学物理光栅衍射是一个非常重要的实验内容，它不仅有助于我们理解光的波动性和干涉原理，还可以应用于实际生产和科学研究领域。
光，这一神奇的物理现象，是我们日常生活中无处不在的存在。
当我们看到五彩斑斓的世界，欣赏着阳光下波光粼粼的湖面，或是夜空中闪烁的星光，这一切都离不开光的衍射。
在大学物理中，光的衍射是理解波动光学和深入探究光本质的关键。
我们需要理解什么是光的衍射。
一光栅衍射基本原理资料
一
观察屏
系
光栅 透镜L
列
?
d
P
又
细
?
又
亮
的
N
f
明
条
? ：衍射角
纹
光栅衍射
1.2 光栅的衍射图样
不考虑衍射时 , 多缝干涉的光强分布图：
多光束干涉光强曲线
sin2N? /sin2?
N2
-8
-4
0
4
8 sin? (?/d)
设光栅的每个缝宽均为 a，在夫琅禾费衍射下，每 个缝的衍射图样位置是相重叠的。
单缝夫琅禾费衍射的光路图
7.6 ? 10?7 k ? 4 ? 10?（7 k ? 1）
所以只有 k才?满1 足上式，所以只能产生一个完
整的可见光谱，而第二级和第三级光谱即有重叠 出现。
光栅衍射
例： N = 4, 有三个极小：
d ?sin? ? ? m ?
N
sin ? ? 1 ?? , 2 ?? , 3 ??
4d 4d 4d
?k ? 1?, ?k ? 2 ?, ?k ? 3 ?
? ? ? d ?sin? ?2? ?
? ? ? ? , ? , 3?
2
4
光栅衍射
? ? ? d ?sin? ?2? ?
缝平面 透镜L
透镜 L ?
B?
S
*
a
?
观察屏
衍射光相干叠加
·p
S: 单色线光源
0
AB ? a：缝宽
Aδ f?
f
? : 衍射角
1 I / I0
相对光强曲线
中央明纹
衍射图样中各级
次极大 暗纹
条纹的相对光强
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• 掠入射方式可以提高反射效率的原理？
平焦场x射线谱仪
• 在传统的掠入射摄谱仪中，由于采用了等 栅距、平行刻线的Rowland凹面光栅，谱 线被聚焦在具有较大象散特性的Rowland 圆的某一部分上。
光栅光谱
解 （1）根据光栅方程 (a b) si得n k
k
ab
sin
按题意知，光栅常数为
a
b
1 500
mm
2
106
m
可见 k的可能最大值相应于 sin 1
代入数值得
k
2106 589.3109
3.4
k只能取整数 ，故取k=3,即垂直入射时能看到第 三级条纹。
R
波长为+的第k级主极大的角位置为：
(a b)sin k( )
波长为 的第kN+1级极小的角位置为：
N(a b)sin (kN 1)
R
kN
光栅的分辨本领
例题3 设计一光栅，要求(1)能分辨钠光谱的 5.890×10-7m和5.896×10-7m的第二级谱线；
, , 3
2
4
3
4
2
1
/2
4 1
1
4
2
3
3 /2
d sin m
N
sin 1 , 2 , 3
4d 4d 4d
k 1 , k 2 , k 3
光强曲线
I I0
N=4
-2(/d)
-(/d)
反射光栅
透射式光栅明纹条件：
d
d sin k （k = 0,1,2,3…）
反射式光栅的明纹条件？
以入射角入射的反射式光栅的明纹条件：
d (sin sin ) k （k = 0,1,2,3…）
---光栅方程
6.掠入射x射线谱仪
• 当光谱进入x射线波段时，由于材料对x射 线光的透射率太低，即吸收太大。因此， 透射式光栅已不适用于x射线波段光谱的测 量；
这样光栅的 N 、 a 、b 均被确定。
4.干涉和衍射的区别和联系
单缝衍射
双缝衍射中的干涉条纹 I
a=14 d = 56
-8
-4
0
4
8 / (º)
双缝衍射中干涉条纹的强度为单缝衍射图样所影响
a= d = 50
-8
-4
0
4
8 /(º)
双缝干涉中干涉条纹的强度受单缝衍射的影响小
5.反射式光栅公式
627
所以
d3
210
6
3 cos
62
7
(589.3
589.0) 109 rad
1.93109 rad
钠双线分开的线距离
d3 fd3 2 1.93103 m 3.86mm
3. 光栅的分辨本领
光栅的分辨本领是指把波长靠得很 近的两条谱线分辨的清楚的本领。
• 它与掠入射Rowland光栅 谱仪的主要不同是用变栅 距光栅代替了等栅距光栅。
• 当入射光以掠入射形式射
(b)
到变间距光栅上时，谱线
不再成象在Rowland圆上，
而是成象在一个焦平面上， S
故称为掠入射平焦场光栅
谱仪。
R
0
R/2
2
1
2
1
Rowland cylinder Grating
一
观察屏
系
光栅 透镜L
列
d
P
又
细
又
亮
N
f
的 明
条
：衍射角
纹
光栅衍射
1.2 光栅的衍射图样
不考虑衍射时, 多缝干涉的光强分布图：
多光束干涉光强曲线
sin2N/sin2
N2
-8
-4
0
4
8 sin (/d)
设光栅的每个缝宽均为a，在夫琅禾费衍射下，每 个缝的衍射图样位置是相重叠的。
单缝夫琅禾费衍射的光路图
例： N = 4,有三个极小：
d sin m
N sin 1 , 2 , 3
4d 4d 4d
k 1 , k 2 , k 3
d sin 2
, , 3
2
4
光栅衍射
d sin 2
动的振幅为Ep
P点为主极大时 2k
Ep NEp
IP
N
2
E
2 p
光栅衍射
暗纹条件：
由同频率、同方向振动 合成的矢量多边形法则
a6
a5
a4
N
A
a3
a1
a2
o
X
缝平面G 透 镜
d
L
dsin 焦距 f
得： N 2m
(m 1,2,… Nk)
2
sin N sin
2
a sin , d sin
光栅衍射
1.3 多光束干涉 明纹条件：
d sin k
缝平面G 透 镜
d
L
观察屏 P
o
（k = 0,1,2,3…）
---光栅方程
dsin 焦距 f
设每个缝发的光在对应衍射角 方向的P点的光振
一、光栅衍射基本原理
1. 光栅衍射
1.1 基本概念
• 光栅—大量等宽等间距的平行狭缝(或反射面) 构成的光学元件。
• 种类：
透射光栅 d
反射光栅 d
• 光栅常数
a是透光（或反光）部分的宽度
b是不透光(或不反光)部分的宽度
d=a+b
光栅常量
光栅衍射
1.2 光栅的衍射图样
光栅衍射演示
• 光栅衍射实验装置图：
0
/d
-(/4d) /4d
sin
2/d
光栅衍射
光栅衍射的谱线特点：
（1）主级大明纹的位置与缝数N无关，它们对称 地分布在中央明纹的两侧，中央明纹光强最大； （2）在相邻的两个主级大之间，有 N1个极小 （暗纹）和N2=2个光强很小的次极大，当N 很大 时，实际上在相邻的主极大之间形成一片暗区，即 能获得又细又亮暗区很宽的光栅衍射条纹。
由此可得斜入射时的光栅方程为
(a b)(sin sin ) k k 0, 1, 2
同样，k的可能最大值相应于 sin 1
在O点上方观察到的最大级次为 k1，取 9得0
k 1.70取 k 1 (ab)(sin90sin 30) 2106 (10.5)
(2)第二级谱线衍射角 30 ; (3)第三级谱线缺级。
解（1） 按光栅的分辨本领
R
kN
得
N 491条
5.893107
k 20.006107
即必须有 N 491条
（2） 根据 (a b)sin k
ab
k sin
25.893107 sin 30
• 摄谱仪或探测器平面必须被圆形地配置以 便得到较好的成象，这加大了摄谱仪器(如 条纹像机、微通道板等)平面定位和精确调 整的难度。
• 由于象散问题，焦点的长度随波长的增加 变化很大，使得摄谱仪上的光谱成象存在 较大的相差，影响了光谱测量的精度。
掠入射平焦场x射线谱仪
(a)
• 掠入射平焦场光栅谱仪是 为了平面测量仪器使用上 S 的方便而研制的。
(a b) coskdk kd
光栅光谱
波长为 及 第 kd级 的两条纹分开的角距离
为
d d k k (a b) cos k
光线正入射时，最大级次为第3级，相应的角
位置
为
3
3
sin1
(
k
ab
)
sin ( ) 1 3589.3109 2106
单缝衍射光强公式：
1 I / I0 相对光强曲线
0.017 0.047
0.047 0.017
-2( /a) -( /a) 0 /a 2( /a) sin
光栅衍射
透镜
θ
λ
a d
θ
θ
f
衍射光相干叠加
I
衍射的影响： 多缝干涉条纹各级主极大的强度不再相等，而
是受到了衍射的调制。主极大的位置没有变化。
光栅衍射
N 4 , 衍射光强曲线
I0单 I单
d 4a
-2
-1
0
1
多光束干涉光强曲线
sin2N/sin2
N2
2 sin (/a)
-8
-4
光栅衍射 光强曲线
-8
-4
0
4
I N2I0单
单缝衍射 轮廓线
0
4
8 sin (/d) 8 sin (/d)
强度公式
I
I
0
sin
7.6107 k 410（7 k 1）
所以只有 k才满1 足上式，所以只能产生一个完
整的可见光谱，而第二级和第三级光谱即有重叠 出现。
光栅光谱
设第二级光谱中波长为 的 光与第三级中紫光开始重