大学物理实验中,全息光栅的制作及其参数测量用哪种方法

大学物理实验中,全息光栅的制作及其参数测量用哪种方法
大学物理实验中,全息光栅的制作及其参数测量用哪种方法

大学物理实验中,全息光栅的制作及其参数测量用哪种方法
全息光栅的制作（实验报告）完美版 (2009-10-12 23:25:34)转载
标签： 光栅 干片 发散镜 双缝 白屏 教育
设计性试验看似可怕,但实际操作还是比较简单的~
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
设计并制作全息光栅,并测出其光栅常数,要求所制作的光栅不少于每毫米100条.

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（包括拍摄和冲洗中的参数及注意事项）,拍摄出全息光栅.
3、给出所制作的全息光栅的光栅常数值,进行不确定度计算、误差分析并做实验小结.

三、 实验的基本物理原理
1、光栅产生的原理
光栅也称衍射光栅,是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件.它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的平面玻璃或金属片.光栅的狭缝数量很大,一般每毫米几十至几千条.单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉,形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样,这些锐细而明亮的条纹称作谱线.谱线的位置随波长而异,当复色光通过光栅后,不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱.光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果（如图1）.


图1
2、测量光栅常数的方法：
用测量显微镜测量；
用分光计,根据光栅方程d·sin =k 来测量；
用衍射法测量.激光通过光栅衍射,在较远的屏上,测出零级和一级衍射光斑的间距△x及屏到光栅的距离L,则光栅常数d= L/△x.

四、 实验的具体方案及比较
1、洛埃镜改进法：
基本物理原理：洛埃镜的特点是一部分直射光和另一部分反射镜的反射光进行干涉,如原始光束是平行光,则可增加一全反镜,同样可做到一部分直射光和一部分镜面反射光进行干涉,从而制作全息光栅.
优点：这种方法省去了制造双缝的步骤.
缺点：光源必须十分靠近平面镜.
实验原理图：


图2

2、杨氏双缝干涉法：
基本物理原理：S1,S2为完全相同的线光源,P是屏幕上任意一点,它与S1,S2连线的中垂线交点S'相距x,与S1,S2相距为rl、r2,双缝间距离为d,双缝到屏幕的距离为L.
因双缝间距d远小于缝到屏的距离L,P点处的光程差：



图3

δ=r2-r1=dsinθ=dtgθ=dx/L sinθ=tgθ
这是因为θ角度很小的时候,可以近似认为相等.
干涉明条纹的位置可由干涉极大条件δ=kλ得：
x=(L/d)kλ,
干涉暗条纹位置可由干涉极小条件δ=(k+1/2)λ得：
x=(D/d)(k+1/2)λ
明条纹之间、暗条纹之间距都是
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,相差越大.
条纹形状：为一组与狭缝平行、等间隔的直线（干涉条纹特点）d= L/△x
优点：使用激光光源相干条件很容易满足.
缺点：所需的实验仪器较复杂,不易得到.
实验原理图：


图4

3、马赫—曾德干涉仪法：
基本物理原理：只要调节光路中的一面分光镜的方位角,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：这种方法对光路的精确度要求不高,实验效果不错,易于学生操作.
缺点：这种方法对光路的精确度要求不高,实验可能不够精确.
实验原理图：


图5


五、 仪器的选择与配套
综合考虑各方面条件,本次试验采用马赫—曾德干涉仪法,所需的实验仪器有He-Ne激光发射器1架、发散镜1面、凸透镜1面、半反半透镜2面、全反镜2面和白屏、光阑各一、拍摄光栅用的干片若干、架子.

六、 实验步骤
（一）制作全息光栅
1.打开He-Ne激光发射器,利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的距离使激光发散.
3.调节凸透镜和发散镜的距离使之等于凸透镜的焦距,得到平行光.
4. 调节2面半反半透镜和2面全反镜的位置和高度,使它们摆成一个平行四边形（如图5）.
5.调节半反半透镜和全反镜上的微调旋钮,使得到的2个光斑等高,且间距为4-6cm.
6. 测出实验中光路的光程差△l.
（在实验中我们测得的光路的光程差△l=1.5cm）
（二）拍摄全息光栅
1.挡住激光束,把干片放在架子上,让激光束照射在干片上1-2秒,挡住激光束,把干片取下带到暗房中.
2.把干片泡在显影液中适当的时间（时间长度由显影液的浓度决定）,取出,用清水冲洗,在泡在定影液中约5分钟.取出,冲洗后晾干.
3.用激光束检验冲洗好的干片,若能看见零级、一级的光斑,说明此干片可以用于测定光栅常数.
（三）测定所制光栅的光栅常数
实际图：


此图参照老师所给实验内容报告上的图来画
图6

原始数据表：

x
1
2
3
4
5
6
r（cm）
23.81
24.12
23.93
24.24
23.65
23.66
h（cm）
144.36
144.65
143.84
144.03
144.52
144.11


计算过程：





七、实验注意事项
1、不要正对着激光束观察,以免损坏眼睛.
2、半导体激光器工作电压为直流电压3V,应用专用220V/3V直流电源工作(该电源可避免接通电源瞬间电感效应产生高电压的功能),以延长半导体激光器的工作寿命.

八、 实验总结
设计型实验,原先并没有接触过.以前的实验,都是了解了书上介绍的实验原理后,严格按照书上的详细步骤来做的,不需要自己去思考和研究太多的东西.这一次准备设计型实验,让我锻炼了好多方面的能力.首先,书上给出的只有简单而概括的指导,所有的东西都要自己去查资料,去想办法解决.连试验究竟是怎么回事都不知道的情况下,要先去网上大概了解实验内容和原理,然后查阅相关文献,具体研究实验方案.尤其,这次的试验,需要我们自己提供三种以上的不同实验方案,进行细致比较之后选定一种.这就要求我们熟悉和掌握每种方案的原理、具体操作步骤和对应的优点缺点,逐一分析比较之后,在将自己的选定方案展开.这一系列过程要花费大部分时间在图书馆,因为要在浩瀚的文献中找到自己需要的,对于我这个还没上完科技文献检索课的学生来说,真的有点困难.我的报告中,有一部分资料来源于互联网,然而网上的东西又不完全符合我的要求,修修改改,总算弄得差不多了.其实,自己明白了原理,按照自己预先设计好的方案进行实验,在具体操作过程中,问题并不大,可以说,做让人费神的是预习时候的实验报告的书写.现在,实验已经基本做完,感觉收获却是很大.以后,对于设计型实验,也可以更熟练的进行了.
想说,在进行实验的全部过程中,科学和严谨的态度是最重要的,不可以在不明白的情况下进行试验,不可以在数据有问题的情况下继续试验,后期的实验数据处理,也要认真对待.