光學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 工程光學(xué) 課程設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)（論文）題目 光柵衍射測(cè)定光的波長(zhǎng) 學(xué)院名稱(chēng) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生姓名 * 學(xué)生學(xué)號(hào) * 任課教師 * 設(shè)計(jì)（論文）成績(jī) 教務(wù)處 制年 月 日填寫(xiě)說(shuō)明1、 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)填寫(xiě)為專(zhuān)業(yè)全稱(chēng)，有專(zhuān)業(yè)方向的用小括號(hào)標(biāo)明；2、 格式要求：格式要求： 用A4紙雙面打?。ǚ饷骐p面打?。┗蛟贏4大小紙上用藍(lán)黑色水筆書(shū)寫(xiě)。 打印排版：正文用宋體小四號(hào)，1.5倍行距，頁(yè)邊距采取默認(rèn)形式（上下2.54cm，左右2.54cm，頁(yè)眉1.5cm，頁(yè)腳1.75cm）。字符間距為默認(rèn)值（縮放100%，間距：標(biāo)準(zhǔn)）；頁(yè)碼用小五號(hào)字底端居中。 具體要求：題目（二號(hào)黑體居

2、中）；摘要(“摘要”二字用小二號(hào)黑體居中，隔行書(shū)寫(xiě)摘要的文字部分，小4號(hào)宋體)；關(guān)鍵詞（隔行頂格書(shū)寫(xiě)“關(guān)鍵詞”三字，提煉3-5個(gè)關(guān)鍵詞，用分號(hào)隔開(kāi)，小4號(hào)黑體)； 正文部分采用三級(jí)標(biāo)題；第1章 ××(小二號(hào)黑體居中，段前0.5行)1.1 ×××××小三號(hào)黑體×××××（段前、段后0.5行）1.1.1小四號(hào)黑體（段前、段后0.5行）參考文獻(xiàn)（黑體小二號(hào)居中，段前0.5行），參考文獻(xiàn)用五號(hào)宋體，參照參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則（GB/T 77142005）。 目錄摘要1主要內(nèi)容1一 課程設(shè)計(jì)

3、目的1二 課程設(shè)計(jì)要求1三 課程設(shè)計(jì)原理21.光柵22.光柵的工作原理23.光柵的應(yīng)用34.分光計(jì)45四 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程61.調(diào)整分光計(jì)62.測(cè)量光柵常數(shù)73.測(cè)量其他光的波長(zhǎng)9五 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)處理101.光柵常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)102.其他顏色光波長(zhǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)10六 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析111.部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象112.現(xiàn)象分析12七 總結(jié)13參考文獻(xiàn)13摘要光柵也稱(chēng)衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散(分解為光譜)的光學(xué)元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫(刻線)的平面玻璃或金屬片。根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射理論，光束垂直入射到光柵平面時(shí)，光波在各個(gè)狹縫處發(fā)生衍射，各個(gè)狹縫的衍射由彼此發(fā)生

4、干涉，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)條紋線。我們根據(jù)這個(gè)譜線，結(jié)合光柵方程，對(duì)實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，從而計(jì)算出光的波長(zhǎng)。主要內(nèi)容了解光柵的工作原理，光柵的應(yīng)用，利用光柵的特性和實(shí)驗(yàn)儀器準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算出光的波長(zhǎng)。關(guān)鍵詞：光柵；衍射；干涉；光柵譜線；一 課程設(shè)計(jì)目的（1）熟練分光計(jì)的調(diào)節(jié)（2）理解光柵衍射現(xiàn)象（3）學(xué)習(xí)用光柵衍射法測(cè)量光的波長(zhǎng)二 課程設(shè)計(jì)要求（1）掌握光柵的工作原理（2）了解光柵的應(yīng)用（3）搭建衍射光柵實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（4）觀察衍射現(xiàn)象（5）計(jì)算光的波長(zhǎng)（6）總結(jié)三 課程設(shè)計(jì)原理1.光柵由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)成的光學(xué)器件稱(chēng)為光柵（grating）。一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕為

5、不透光部分，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當(dāng)于一狹縫。精制的光柵，在1cm寬度內(nèi)刻有幾千條乃至上萬(wàn)條刻痕。這種利用透射光衍射的光柵稱(chēng)為透射光柵，還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕，兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光，這種光柵成為反射光柵。2.光柵的工作原理根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射理論，當(dāng)波長(zhǎng)為的平行光垂直入射到光柵平面時(shí)，光波將在各個(gè)狹縫處發(fā)生衍射，所有縫的衍射又彼此發(fā)生干涉，而這種干涉條紋定域與無(wú)窮遠(yuǎn)處，當(dāng)在光柵后面放置一個(gè)會(huì)聚透鏡時(shí)，則各個(gè)方向上的衍射光都將會(huì)聚于透鏡的焦平面上，從而得到衍射光的干涉條紋，如圖 (圖片來(lái)自大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)P126圖4-14-1)所示

6、。由圖4-14-1可得到相鄰兩縫對(duì)應(yīng)點(diǎn)射出的光束的光程差為=（a+b）sin=dsin式中，d為光柵常數(shù)，為衍射角。當(dāng)衍射角滿(mǎn)足光柵方程dsin=k，k=0，±1，±2，時(shí)，光會(huì)加強(qiáng)，式中為單色光波長(zhǎng)，k為明條紋級(jí)數(shù)，衍射后的光波經(jīng)透鏡會(huì)聚后，在焦平面上將形成分隔開(kāi)的一系列對(duì)稱(chēng)分布的明條紋，如圖4-14-1所示。如果光源中包含幾種不同波長(zhǎng)的復(fù)色光，除零級(jí)外，同一級(jí)譜線將有不同的衍射角，因而在透鏡焦平面上會(huì)出現(xiàn)波長(zhǎng)次序排列的譜線，稱(chēng)為光柵光譜，相同k值的譜線的光譜為同一級(jí)光譜，于是就有了一級(jí)光譜，二級(jí)光譜之分。3.光柵的應(yīng)用3.1透射直線式光柵 透射直線式光柵是用光電元件把兩

7、塊光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的明暗變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓姆绞健ｉL(zhǎng)光柵裝在機(jī)床移動(dòng)部件上，稱(chēng)為標(biāo)尺光柵；短光柵裝在機(jī)床固定部件上，稱(chēng)為指示光柵。標(biāo)尺光柵和指示光柵均由窄矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對(duì)線紋垂直移動(dòng)時(shí)，光源通過(guò)標(biāo)尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上，若指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵透明間隔完全重合，光電元件接受到的光通量最小。若指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵的線紋完全重合，光電元件接受到的光通量最大。因此，標(biāo)尺光柵移動(dòng)過(guò)程中，光電元件接受到的光通量忽大忽小，產(chǎn)生了近似正弦波的電流。再用電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字以顯示位移量。為了辨別運(yùn)動(dòng)方向，指示光柵的線紋錯(cuò)開(kāi)1/4柵距，并通過(guò)鑒向線路

8、進(jìn)行辨別。 由于這種光柵只能透過(guò)透明間隔，所以光強(qiáng)度較弱，脈沖信號(hào)不強(qiáng)，往往在光柵線較粗的場(chǎng)合使用。3.2莫爾條紋式光柵 用得較普遍的是莫爾條紋式光柵，是將柵距相同的標(biāo)尺光柵與指示光柵互相平行的疊放并保持一定的間隙（0.1），然后將指示光柵在自身平面內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)很小的角度，那么兩塊光柵尺上的刻線交叉，在光源的照射下，相交點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，透明區(qū)域變大，擋光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，透光的累積使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距相交點(diǎn)越遠(yuǎn)的區(qū)域，兩光柵不透明黑線的重疊部分越少，黑線占據(jù)的空間增大，因而擋光面積增大，擋光效應(yīng)增強(qiáng)，只有較少的光線透過(guò)光柵而使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶。 3.3磁尺 磁尺又稱(chēng)為磁柵

9、，是一種計(jì)算磁波數(shù)目的位置檢測(cè)元件。可用于直線和轉(zhuǎn)角的測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、復(fù)制簡(jiǎn)單及安裝方便等，且具有較好的穩(wěn)定性，常用在油污、粉塵較多的場(chǎng)合。因此，在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測(cè)量機(jī)上得到了廣泛使用。 磁尺是利用錄磁原理工作的。先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號(hào)錄制在磁性標(biāo)尺上，作為測(cè)量基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再送到檢測(cè)電路中去，把磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位移量用數(shù)字顯示出來(lái)，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。4.分光計(jì)4.1平行光管如圖所示，平行光管的作用是產(chǎn)生平行光。在其圓柱形筒的一端裝有一個(gè)可伸縮的套筒，套筒末端有一狹縫，筒的另一端裝有消色差透鏡組。伸

10、縮狹縫裝置，使其恰位于透鏡的焦平面上時(shí)，平行光管就出射平行光。可通過(guò)調(diào)節(jié)平行光管光軸水平調(diào)整螺絲28和平行光管光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲29改變平行光管光軸的方向，通過(guò)調(diào)節(jié)狹縫寬度調(diào)節(jié)螺絲1改變狹縫寬度，改變?nèi)肷涔馐鴮挾取?.2望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡用于觀察及定位被測(cè)光線。它是由物鏡、自準(zhǔn)目鏡和測(cè)量用十字刻度線所組成的一個(gè)圓筒，本實(shí)驗(yàn)所使用的分光計(jì)帶有阿貝式自準(zhǔn)目鏡，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。照明小燈泡的光自筒側(cè)進(jìn)入，經(jīng)小三棱鏡反射后照亮分劃板上的下半部十字刻度線。十字刻度線方向、目鏡及物鏡間的距離皆可調(diào)，當(dāng)叉絲位于物鏡焦平面上時(shí)，叉絲發(fā)出的光經(jīng)物鏡后成為平行光。該平行光經(jīng)雙面反射鏡反射后，再經(jīng)物鏡聚焦在分劃板平面上，形

11、成十字叉絲的像（綠色）。望遠(yuǎn)鏡調(diào)好后，從目鏡中可同時(shí)看清十字刻度線和叉絲的“十”字像，且兩者間無(wú)視差。另外，可通過(guò)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸仰角調(diào)節(jié)螺絲13和望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲14改變望遠(yuǎn)鏡光軸的方向。4.3刻度圓盤(pán)分光計(jì)出廠時(shí)，已經(jīng)將刻度盤(pán)平面調(diào)到與儀器轉(zhuǎn)軸垂直并加以固定?？潭葓A盤(pán)被分成360度，最小分度值是半度（30¢）。小于半度的數(shù)值可在游標(biāo)上讀出，兩個(gè)游標(biāo)在黑色內(nèi)盤(pán)邊緣對(duì)徑方向，游標(biāo)分成30小格。游標(biāo)盤(pán)一般與載物臺(tái)固連，可繞儀器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，有螺釘可以止動(dòng)游標(biāo)盤(pán)?？潭葓A盤(pán)讀數(shù)方法與游標(biāo)卡尺的讀數(shù)方法相似，為了消除刻度盤(pán)與分光計(jì)中心軸線之間的偏心差，在刻度盤(pán)同一直徑的兩端各裝有一個(gè)

12、游標(biāo)。測(cè)量時(shí)，兩個(gè)游標(biāo)都應(yīng)讀數(shù)，然后算出每個(gè)游標(biāo)兩次讀數(shù)的差，再取平均值。這個(gè)平均值可作為望遠(yuǎn)鏡（或載物臺(tái)）轉(zhuǎn)過(guò)的角度，并且消除了偏心差。四 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.調(diào)整分光計(jì) 1.1.粗調(diào)首先目測(cè)粗調(diào)，使平行光管及望遠(yuǎn)鏡的光軸、載物臺(tái)大致水平； 1.2.調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡適合于平行光 適當(dāng)旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)焦手輪，直到清楚地看到分劃板刻線為止；接上燈源； 把光學(xué)平行平板放置在載物臺(tái)上；從望遠(yuǎn)鏡筒外側(cè)尋找反射光斑；從目鏡中觀察反射光斑：轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤(pán)，使光學(xué)平行平板正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，在目鏡中看到一綠色亮斑，使亮十字在分劃板上成一清晰的綠色十字像。反復(fù)小心移動(dòng)目鏡，直至無(wú)視差為止，這樣望遠(yuǎn)鏡就適合于平行光。 1.3.調(diào)整望遠(yuǎn)

13、鏡的光軸垂直于儀器轉(zhuǎn)軸采用“各半調(diào)節(jié)出法”逐步逼近，直到光學(xué)平行平板正反兩面反射到望遠(yuǎn)鏡中的綠色十字像與十字叉絲中間重合為止。后續(xù)調(diào)節(jié)中決不能再調(diào)望遠(yuǎn)鏡的水平調(diào)節(jié)螺釘。 1.4.調(diào)節(jié)平行光管使產(chǎn)生平行光去掉目鏡照明器的光源，將望遠(yuǎn)鏡管正對(duì)平行光管；從側(cè)面和俯視兩個(gè)方向用目視法調(diào)節(jié)平行光管光軸高低位置調(diào)節(jié)螺釘，大致調(diào)到與望遠(yuǎn)鏡光軸相一致；取下光學(xué)平行平板，開(kāi)啟汞光燈，前后移動(dòng)平行光管狹縫裝置，直到所看到的狹縫像邊緣清晰而無(wú)視差，調(diào)節(jié)狹縫的寬度，使像寬為1mm左右。 2.測(cè)量光柵常數(shù)2.1調(diào)節(jié)分光計(jì)分光計(jì)調(diào)節(jié)好后，將光柵夾在載物臺(tái)上，使汞燈通過(guò)平行光管狹縫的光垂直入射到光柵上，此時(shí)從望遠(yuǎn)鏡鏡筒中可

14、以看到中心一條白色的條紋，兩邊是彩色的條紋。已知綠光的波長(zhǎng)為=541.6nm，利用綠光測(cè)量光柵常數(shù)。若±k級(jí)衍射光之間的夾角為，則衍射角=/2,代入dsin=k，求出d。（1）將光柵放置于載物臺(tái)上，并使光柵平面與載物臺(tái)下面兩個(gè)調(diào)節(jié)螺絲a，b的連線垂直平分，如圖4-14-2（從大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)拍得）所示，利用光柵襯底玻璃的反射作用來(lái)調(diào)節(jié)分光計(jì)，按前面所講分光計(jì)調(diào)節(jié)要求，使望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)，是望遠(yuǎn)鏡和平行光管的光軸與分光計(jì)的轉(zhuǎn)軸垂直，是平行光管能發(fā)出平行光。（2）調(diào)節(jié)光柵，使入射光垂直照射與光柵平面，且其平面與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸平行，方法如下：照亮平行光管狹縫，使望遠(yuǎn)鏡中正下方的黑十字線的數(shù)顯

15、與狹縫亮線重合，觀察倍光柵平面反射回來(lái)的綠十字像，調(diào)節(jié)載物臺(tái)下面的一個(gè)調(diào)字螺絲a或b，使亮十字的水平線與分劃板上方的那根水平線重合（注意此時(shí)不能再轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡和光柵），這是表明光柵平面垂直于望遠(yuǎn)鏡筒，而前面已調(diào)整到與望遠(yuǎn)鏡同軸的平行光管也就自然光垂直于光柵平面即入射光將垂直照射與光柵平面。（3）調(diào)節(jié)光柵平時(shí)期劃痕與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸平行，方法如下：轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡觀察各級(jí)譜線，每條譜線都在同一高度上，否則應(yīng)調(diào)節(jié)載物臺(tái)下面的調(diào)平螺絲c，以校正光柵劃痕的傾斜，直到各譜線都在同一高度上。由于調(diào)節(jié)了螺絲c，可能引起光柵平面與入射光的垂直情況發(fā)生變化，這時(shí)，應(yīng)將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)中心亮線，看綠色十字像與上十字叉絲是否重合，

16、若不重合，再調(diào)節(jié)螺絲a或b，使他們重合，再看兩邊譜線是否一樣高，若不一樣高，再調(diào)節(jié)螺絲c，使他們一樣高這樣重復(fù)操作，直到最后既使入射光垂直于光柵平面，又使兩邊的譜線一樣高，如圖4-14-3（來(lái)自大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)）所示。2.2測(cè)量衍射角（1）轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使分劃板十字叉絲豎線與左邊第k級(jí)明紋重合，記下此時(shí)刻度盤(pán)上的讀數(shù)1和1,再轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使分劃板十字叉絲與右邊第k級(jí)明紋重合，記下此時(shí)讀數(shù)2和2，則第k級(jí)譜線相應(yīng)的衍射角為=1/4*|2-1|+|2-1|重復(fù)上述步驟3次，對(duì)此衍射角進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)量。（2）根據(jù)測(cè)得的衍射角求平均值及實(shí)驗(yàn)室給出的光波的波長(zhǎng)，求出光柵常數(shù)d。3.測(cè)量其他光的波長(zhǎng)根據(jù)測(cè)得的光

17、柵常數(shù)d，重復(fù)2，對(duì)其他顏色的光測(cè)其一級(jí)條紋的衍射角。五 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)處理1.光柵常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)k2121dk142°2123°13222°20203°143.289e-6m252°3113°43232°31193°423.288e-6m363°453°47243°42183°503.281e-6m綠光波長(zhǎng)=541.6nmd=(3.289e-6+3.288e-6+3.281e-6)/3= 3.286e-6 m2.其他顏色光波長(zhǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)2121紫39°51

18、25°43219°50205°417.071°404.5nm藍(lán)40°2625°9220°25205°107.633°436.5nm青41°2324°12221°21204°118.588°490.7nm黃43°022°35223°1202°3310.221°583.1nm六 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析1.部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象左圖為：左邊1級(jí)條紋從左到右依次為：黃綠青藍(lán)紫，青色條紋對(duì)準(zhǔn)中間的叉絲右圖為：右邊1級(jí)條紋紫色條紋和藍(lán)色條紋，紫色條紋對(duì)準(zhǔn)中間的叉絲左圖為：右邊1級(jí)條紋綠色和黃色，黃色條紋對(duì)準(zhǔn)中間的叉絲右圖為：右邊1級(jí)條紋綠色和黃色，綠色條紋對(duì)準(zhǔn)中間的叉絲2.現(xiàn)象分析實(shí)驗(yàn)共觀察到三級(jí)條紋，每一級(jí)條紋的顏色為黃綠青藍(lán)紫，缺少七色中的紅色和橙色，經(jīng)分析，應(yīng)該是紅光和橙光波長(zhǎng)太長(zhǎng)，在光柵光譜中顯示較弱，現(xiàn)象不明顯。從數(shù)據(jù)上看，根據(jù)計(jì)算出的紫藍(lán)青黃四色光