大学物理实验中的衍射光栅
标签:光栅干膜发散镜双缝白屏教育
设计实验看似可怕，实际操作相对简单~
我的实验报告仅供参考~
实验报告封面
全息光栅的制作
一.实验任务
设计和制作全息光栅，并测量其光栅常数。要求制造的光栅数量不小于每毫米100个。
二、实验要求
1.设计三种以上制作全息光栅的方法并进行比较。
2.设计制作全息光栅的完整步骤(包括拍摄和冲洗时的参数和注意事项)，拍摄全息光栅。
3.给出了全息光栅的光栅常数值，并计算了不确定度，分析了误差，进行了实验总结。
三、实验的基本物理原理
1，光栅生成原理
光栅又称衍射光栅，是一种利用多缝衍射原理将光色散(分解成光谱)的光学元件。它是一块平板玻璃或金属板上刻有大量平行的等宽等距狭缝(刻线)。光栅中的狭缝数量非常多，一般为每毫米几十到几千个。单色平行光通过光栅各狭缝的衍射和狭缝间的干涉形成宽暗条纹和细亮条纹的图案，称为谱线。谱线的位置随波长而变化。当多色光通过光栅时，不同波长的谱线出现在不同的位置，形成光谱。光通过光栅形成的光谱是单缝衍射和多缝干涉的相同结果(如图1)。
图1
2、测量光栅常数的方法:
用测量显微镜测量；
使用光谱仪，根据光栅方程d sin = k测得；
通过衍射测量。激光经光栅衍射，在远屏上测得零级衍射斑与一级衍射斑的距离△x和屏到光栅的距离L，则光栅常数d = l/△ x。
四、实验的具体方案和比较
1，劳氏镜改进方法:
基本物理原理:洛厄尔镜的特点是部分直射光与另一面镜子的反射光发生干涉。如果原光束是平行光，可以加一个全反射镜，一部分直射光可以和一部分镜面反射光发生干涉，就制成了全息光栅。
优点:这种方法省去了制作双缝的步骤。
缺点:光源必须离平面镜很近。
实验示意图:
图2
2.杨氏双缝干涉法；
基本物理原理:S1，S2是同一个线光源，P是屏幕上的任意一点，距离连接S1和S2的中间垂直线的交点S '为x，距离S1为R1和r2，两个接缝之间的距离为d，两个接缝到屏幕的距离为l..
因为双接缝之间的距离d远小于从接缝到屏幕的距离l，所以点P处的光程差:
图3
δ= R2-r 1 = dsinθ= DTGθ= dx/L sinθ= TGθ
这是因为当θ角很小时，可以近似认为相等。
干涉亮条纹的位置可由干涉最大条件δ=kλ得到:
x=(L/d)kλ，
干涉暗条纹的位置可由干涉最小条件δ=(k+1/2)λ得到:
x=(D/d)(k+1/2)λ
亮条纹和暗条纹之间的距离都是
δx =λ(D/D)
因此，干涉条纹是等距离分布的。
而且注意上面的公式都有波长参数在里面，波长越长差别越大。
条纹形状:是一组平行于狭缝等间距的直线(干涉条纹特征)D = L/△ X。
优点:激光光源的相干条件容易满足。
缺点:所需实验仪器复杂，不易获得。
实验示意图:
图4
3.马赫-曾德尔干涉仪法；
基本物理原理:只要调节光路中一个分束器的方位角，就可以改变透射光和反射光的夹角，从而改变干涉条纹的间距。
优点:该方法对光路精度要求不高，实验效果好，便于学生操作。
缺点:这种方法对光路精度要求不高，实验可能不够精确。
实验示意图:
图5
动词 （verb的缩写）仪器的选择和匹配
综合考虑各种条件，本实验采用马赫-曾德尔干涉仪法。所需实验仪器包括1氦氖激光发射器、1发散镜、1凸透镜、2个半反半反镜、2个全反镜、1个白屏和1个光阑、拍摄光栅的干膜若干、架子。
六、实验步骤
(1)制作全息光栅
1.打开氦氖激光发射器，用白屏使激光束平行于水平面。
2.调节发散镜和激光发射器之间的距离，使激光发散。
3.调整凸透镜与发散透镜的距离，使之等于凸透镜的焦距，得到平行光。
4.调整双面半反射镜和双面全反射镜的位置和高度，使其形成平行四边形(如图5所示)。
5.调节半反镜和全反镜上的微调旋钮，使获得的两个光斑高度相同，间距为4-6cm。
6.测量实验中光路的光程差△l。
(实验测得的光程差△l=1.5cm)
(2)拍摄全息光栅
1.停止激光束，将干膜放在架子上，让激光束照在干膜上1-2秒，停止激光束，将干膜取下放到暗室。
2.将干膜在显影液中浸泡适当时间(时间长短视显影液浓度而定)，取出后用清水冲洗干净，再在定影液中浸泡5分钟左右。取出，冲洗干净，晾干。
3.激光束用于测试已显影的干膜。如果可以看到零级和一级光斑，说明干膜可以用来确定光栅常数。
(3)测量制作好的光栅的光栅常数。
实际地图:
这张图是参照老师给的实验内容报告上的图画的。
图6
原始数据表:
x
1
2
三
四
五
六
厘米
23.81
24.12
23.93
24.24
23.65
23.66
高(厘米)
144.36
144.65
143.84
144.03
144.52
144.11
计算过程:
七、实验注意事项
1，不要直视激光束，以免损伤眼睛。
2.半导体激光器的工作电压为3V DC，使用专用的220V/3V DC电源工作(该电源可以避免电源接通时由于瞬时电感效应产生高电压的功能)，从而延长半导体激光器的工作寿命。
八。实验总结
设计型实验，以前从来没有接触过。之前的实验都是在理解了书上介绍的实验原理后，严格按照书上的详细步骤做的，不需要自己去思考和研究太多的东西。这次准备了一个设计型的实验，让我锻炼了很多能力。首先，书上只给出简单笼统的指导，一切都要自己去查，自己去解决。如果你连实验是怎么回事都不知道，那就先去网上大致了解一下实验的内容和原理，然后查阅相关文献，详细研究实验方案。特别是这个实验，要求我们提供三个以上不同的实验方案，仔细比较后选择一个。这就需要我们熟悉和掌握每种方案的原理、具体操作步骤和相应的优缺点，并在逐一分析比较后，再展开我们所选择的方案。这一系列的过程会花去图书馆的大部分时间，因为对于我这个没有学完科技文献检索课的学生来说，要在浩如烟海的文献中找到自己需要的东西，真的很难。在我的报告中，有些信息来自网络，但网络上的东西并不完全符合我的要求。经过修改，差不多完成了。其实我懂原理，按照我预先设计的方案进行实验。在具体操作过程中，问题不大。可以说困扰人的是预习时实验报告的写作。现在，实验已经基本完成，但感觉收获很大。以后可以更熟练的设计实验。
我想说，在整个实验过程中，科学严谨的态度是最重要的。不了解就不能做实验，有数据问题就不能继续实验。也要认真对待后期的实验数据处理。