光栅衍射的误差分析及其改进（最终定稿）

第一篇：光栅衍射的误差分析及其改进

光栅衍射实验的误差分析及其改进

仲原 100104258 机械工程及其自动化

摘要：平行光未能严格垂直人射光栅将形成误差，常用的对称测盘法只能消除误差的一阶修正项，但仍存在二阶修正项误差。若采用测t最小衍射角的方法就能有效地消除一阶、二阶修正项的误差，而且能观测到更高级次的衍射条纹，从而减少读数误差，提高实验精度。

关键字：光栅衍射 一阶修正项 二阶修正项 测t最小衍射角法

summray: the parallel light is not strictly vertical grating will be formed of people shooting error, the commonly used symmetric disk method can eliminate measurement error of a first-order correction term, there are still two order correction error.The T minimum diffraction angle method can effectively eliminate the first order, two order correction of the error, but also more advanced times the observed diffraction fringes, thus reducing reading error, improve the accuracy of experiment.Key words: grating diffraction order correction of two order correction of measuring t minimum diffraction angle method 衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250-600条线。实验原理

设平面单色光波垂直入射到光栅（图1）表面上，衍射光通过透镜聚焦在焦平面上，于是在观察屏上就出现衍射图样，如图2所示。

图10-1光栅片示意图 光栅方程 ： dsink

（k0,1,2,...）

图10-2 单色光光栅衍射光谱示意图 图10-3 复合光光栅衍射光谱示意图

当入射光为复合光时，在相同的d和相同级别k时，衍射角φ随波长增大而增大，这样复合光就可以分解成各种单色光。（如图3所示）根据光栅方程，若已知光栅常数，条纹级别能数出来，我们可以根据衍射角测量某光的波长。

波长测量表达式为：

dsink

或已知波长，可以根据衍射角测量光栅常数d。

dksin 光栅常数d测量表达式为： 光栅放置误差的理论分析

当平行光与光栅平面法线成a角斜入射时的光栅方程为

或

上两式中Φk，Φ'k的物理意义如下图所示。因此，如果光栅放置得不严格垂直于人射光，而实验测量时仍用公式(1)进行波长、分辨率等物理量的计算，将造成实验误差。不失一般性，就方程(2)考虑人射角θ对测量结果的影。

图1 平行光斜入射光栅

将方程(2)展开并整理，得

（4）

与(1)式比较可知，由于人射角θ不等于零而产生了两项误差，如果θ很小，第一项tan(Φk/2)sinθ≈tan(Φk/2)x θ可视为一阶小量，第二项2sin2θ/2≈θ2/2可视为二阶小量，为方便计，称第一项为误差的一阶修正项，第二项为误差的二阶修正项。如果θ较大，则引起的误差不能忽略。进一步分析表明，在相同人射角θ的条件下，当衍射级次k增加时，Φk增加，由于tanΦk是递增函数，因此一阶修正项增大，测量高级次的光谱会使实验误差增大;而误差的二阶修正项与衍射级次k和衍射角Φk无关。

从测量理论来看，衍射级次k越高，衍射角Φk越大，估读Φk引起sinΦk的相对误差越小，因为△sinΦk/sinΦk = ctgΦk△Φk，而ctgΦk是递减函数。另外角色散率dΦk /dλ= tanΦk/λ因正比于tanΦk而增大;角分辨率因正比于衍射级次k而增加。因此测量高次的光谱非但不增大二阶修正项的相对误差，反而能减小其它物理量的测量误差，而误差的一级修正项则与此矛盾。减少误差的途径

如果能测出θ值代入(4)进行计算，理论上能对光栅放置不精确而引起的误差进行修正。但作为教学型实验，人射角θ的测量有一定难度，而且从测量理论上考虑，应尽可能减少直接测量量的数目。考虑到第一修正项系数为奇函数，因此可以用对称测量的方法来消除，这也是通常实验所采用的。为此将(2)式和(3)式相加并两边同除2，得

可见第一修正项已消除，但第二修正项仍然存在。如按对称测量方法，取左右两个衍射角的平均值，计算波长等物理量应该用公式(5)，而不能简单地把(Φk+Φ'k)当作Φk代人(1)式计算。

比如波长几的计算，若不计第二修正项，则有

因此，平行光不垂直入射引起波长测量的相对误差为

其相对误差完全由人射角θ决定，与衍射级次k和衍射角Φk无关，而且对不同光栅，第二修正项误差都一样。其误差随人射角θ改变的理论计算结果如图2所示。

图2 光栅放置未能使平行光垂直入射引起的误差

我们在JJY型(测量精度为δ=1'，光栅常数d = 1/300mm，待测光波长λ= 589.3nm)分光计上进行了测量，测量结果以散点形式在图2上标出，测量误差与理论计算误差相一致。当人射角θ=2°时，理论计算误差为0.061%，实验测定误差为0.11%;人射角θ=4°时理论计算误差为0.24%，实验测定误差为0.26%；人射角θ=30°时，理论计算误差为15%，实验测定误差为14%；理论计算和实验测量结果都表明，当不垂直而偏离的角度较小时(θ<2°)，这部分误差较小而可以忽略；如果偏离角度大时，测量误差会显著增加。因此通常的对称测量方法并非是最佳的实验方案。

考虑(2)式，注意到衍射级次k和衍射角Φk与入射角θ有关，经过简单的数学证明可知，对于一定的衍射级次k，当θ=Φk /2时，dΦk /dθ=0，而且d2Φk /dθ2> 0，因此存在一个最小衍射角Φkmin，此时光栅方程简化为

正如找三棱镜最小偏向角一样，可以通过实验方便地测量出这一最小衍射角。即首先把望远镜的十字叉丝对准某一衍射级次的谱线，转动载物台带动光栅作微小转动，在望远镜中可见到光谱线跟随着光栅转动而移动，由此可确定最小衍射角的截止位置，记下此时的读数Φ1，然后取走光栅，将望远镜对准平行光管，记下此时的读数Φ2，则Φkmin=|Φ2-Φ1|。与通常的测量方法一样，只需两次读数就能测出波长等物理量，而且消除了第一、第二修正项引起的误差。因此，测量光栅最小衍射角，由方程(8)进行波长、分辨率等物理量的计算，不仅消除了一阶、二阶修正项引起的误差，而且还有另外一个优点，即增加光栅的衍射级次k，如实验室常用光栅，用对称测量法一般只能观测到二级衍射条纹，采用最小衍射角法，则能方便地观则到四级衍射条纹，因而增加Φkmin值，减少读数引起的相对误差，从而有效地提高测量精度。

图3 最小衍射的测量 结束语

光栅衍射实验是测量精度比较高的普通物理实验，以波长测量为例，如果分光计的调整和光栅放置精确，则测量最大误差可由下式

进行估算。取分光计的仪器误差δ作为测量角度的误差，光栅常数d通过测量某一标准波长为λ0的入射光的衍射角求得，则测量光栅常数d的误差为△d/d二ctgΦk*△Φk，所以

可见，测量波长的相对误差随衍射角的增加而快速减小。以对汞灯光谱的绿光波长测量为例，对一、二级谱线，其衍射角分别约为9°33'，和19°23'，取△Φk =δ=1'，则△λ/λ分别为0.24%和0.12%，但学生测量结果的相对误差大多超过1.0%，其主要原因在于分光计的调整和光栅放置不精确。我们将其改为测量三阶最小衍射角，结果实验精度在1.0%以内。因此测量最小衍射角法可以在学生实验推广使用。

这种方法的主要误差在于用光强来判断两套莫尔条纹重合的光强测量精度。因此，提高测量精度的主要方法是提高光强测量精度或增加z2-z1之值。

设由光强测量误差引起的位置误差为△z，则

当光强测量精度为0.5%，则△z=1.16mm，按照（15）式计算的值为0.28%。实际测量中常用不同K时的位置代入式(14)中计算，取平均值作为测量结果，偶然误差的影响减少。

干涉条纹重迭法中，单独每一套条纹在空间任一位置对比度都比较好，因此，当两套干涉条纹重合时，对比度是更好的，测量将是更精确。此方法的条件限制是要求试件φ角比较小。

参考文献：

（1）李连臣 夏云杰 《光子学报》 1998 第9期

（2）李红军 卢振武 廖江红 翁志成 《光学精密工程》 2000 第1期（3）张奇志 周传宏 《光电工程》（4）王世平《物理与工程》 2001（5）王淮生 蒋秀丽 张秋霞 《上海电力学院学报》 2006 第2期（6）刘娟 欧阳敏 周静 刘大禾 《北京师范大学学报（自然科学版）》 2008 第4期（7）陈水波 《物理实验》 2007

第二篇：光栅衍射实验的误差分析及改进途径

光栅衍射实验的误差分析及改进途径

摘要：平行光未能严格垂直人射光栅将形成误差，常用的对称测盘法只能消除误差的一阶修正项，仍存在二阶修正项误差。采用测t最小衍射角的方法能有效地消除一阶、二阶修正项的误差，而且能观测到更高级次的衍射条纹，从而减少读数误差，提高实验精度。

1光栅放置误差的理论分析

当平行光与光栅平面法线成a角斜入射时的光栅方程为

或

上两式中Φk，Φ'k的物理意义如下图所示。因此，如果光栅放置得不严格垂直于人射光，而实验测量时仍用公式(1)进行波长、分辨率等物理量的计算，将造成实验误差。不失一般性，就方程(2)考虑人射角θ对测量结果的影。

图1 平行光斜入射光栅

将方程(2)展开并整理，得

（4）

与(1)式比较可知，由于人射角θ不等于零而产生了两项误差，如果θ很小，第一项tan(Φk/2)sinθ≈tan(Φk/2)x θ可视为一阶小量，第二项2sin2θ/2≈θ2/2可视为二阶小量，为

方便计，称第一项为误差的一阶修正项，第二项为误差的二阶修正项。如果θ较大，则引起的误差不能忽略。进一步分析表明，在相同人射角θ的条件下，当衍射级次k增加时，Φk增加，由于tanΦk是递增函数，因此一阶修正项增大，测量高级次的光谱会使实验误差 增大;而误差的二阶修正项与衍射级次k和衍射角Φk无关。

从测量理论来看，衍射级次k越高，衍射角Φk越大，估读Φk引起sinΦk的相对误差越小，因为△sinΦk/sinΦk = ctgΦk△Φk，而ctgΦk是递减函数。另外角色散率dΦk /dλ= tanΦk/λ因正比于tanΦk而增大;角分辨率因正比于衍射级次k而增加。因此测量高次的光谱非但不增大二阶修正项的相对误差，反而能减小其它物理量的测量误差，而误差的一级修正项则与此矛盾。

2减少误差的途径 如果能测出θ值代入(4)进行计算，理论上能对光栅放置不精确而引起的误差进行修正。但作为教学型实验，人射角θ的测量有一定难度，而且从测量理论上考虑，应尽可能减少直接测量量的数目。考虑到第一修正项系数为奇函数，因此可以用对称测量的方法来消除，这也是通常实验所采用的。为此将(2)式和(3)式相加并两边同除2，得

可见第一修正项已消除，但第二修正项仍然存在。如按对称测量方法，取左右两个衍射角的平均值，计算波长等物理量应该用公式(5)，而不能简单地把(Φk+Φ'k)当作Φk代人(1)式计算。

比如波长几的计算，若不计第二修正项，则有

因此，平行光不垂直入射引起波长测量的相对误差为

其相对误差完全由人射角θ决定，与衍射级次k和衍射角Φk无关，而且对不同光栅，第二修正项误差都一样。其误差随人射角θ改变的理论计算结果如图2所示。

图2 光栅放置未能使平行光垂直入射引起的误差

我们在JJY型(测量精度为δ=1'，光栅常数d = 1/300mm，待测光波长λ= 589.3nm)分光计上进行了测量，测量结果以散点形式在图2上标出，测量误差与理论计算误差相一致。当人射角θ=2°时，理论计算误差为0.061%，实验测定误差为0.11%;人射角θ=4°时理论计算误差为0.24%，实验测定误差为0.26%；人射角θ=30°时，理论计算误差为15%，实验测定误差为14%；理论计算和实验测量结果都表明，当不垂直而偏离的角度较小时(θ<2°)，这部分误差较小而可以忽略；如果偏离角度大时，测量误差会显著增加。因此通常的对称测量方法并非是最佳的实验方案。

考虑(2)式，注意到衍射级次k和衍射角Φk与入射角θ有关，经过简单的数学证明可知，对于一定的衍射级次k，当θ=Φk /2时，dΦk /dθ=0，而且d2Φk /dθ2> 0，因此存在一个最小衍射角Φkmin，此时光栅方程简化为

正如找三棱镜最小偏向角一样，可以通过实验方便地测量出这一最小衍射角。即首先把望远镜的十字叉丝对准某一衍射级次的谱线，转动载物台带动光栅作微小转动，在望远镜中可见到光谱线跟随着光栅转动而移动，由此可确定最小衍射角的截止位置，记下此时的读数Φ1，然后取走光栅，将望远镜对准平行光管，记下此时的读数Φ2，则Φkmin=|Φ2-Φ1|。与通常的测量方法一样，只需两次读数就能测出波长等物理量，而且消除了第一、第二修正项引起的误差。因此，测量光栅最小衍射角，由方程(8)进行波长、分辨率等物理量的计算，不仅消除了一阶、二阶修正项引起的误差，而且还有另外一个优点，即增加光栅的衍射级次k，如实验室常用光栅，用对称测量法一般只能观测到二级衍射条纹，采用最小衍射角法，则能方便地观则到四级衍射条纹，因而增加Φkmin值，减少读数引起的相对误差，从而有效地提高测量精度。

图3 最小衍射的测量

3结束语

光栅衍射实验是测量精度比较高的普通物理实验，以波长测量为例，如果分光计的调整和光栅放置精确，则测量最大误差可由下式

进行估算。取分光计的仪器误差δ作为测量角度的误差，光栅常数d通过测量某一标准波长为λ0的入射光的衍射角求得，则测量光栅常数d的误差为△d/d二ctgΦk*△Φk，所以

可见，测量波长的相对误差随衍射角的增加而快速减小。以对汞灯光谱的绿光波长测量为例，对一、二级谱线，其衍射角分别约为9°33'，和19°23'，取△Φk =δ=1'，则△λ/λ分别为0.24%和0.12%，但学生测量结果的相对误差大多超过1.0%，其主要原因在于分光计的调整和光栅放置不精确。我们将其改为测量三阶最小衍射角，结果实验精度在1.0%以内。因此测量最小衍射角法可以在学生实验推广使用。

4讨论测量误差

这种方法的主要误差在于用光强来判断两套莫尔条纹重合的光强测量精度。因此，提高测量精度的主要方法是提高光强测量精度或增加z2-z1之值。

设由光强测量误差引起的位置误差为△z，则

当光强测量精度为0.5%，则△z=1.16mm，按照（15）式计算的值为0.28%。实际测量中常用不同K时的位置代入式(14)中计算，取平均值作为测量结果，偶然误差的影响减少。

干涉条纹重迭法中，单独每一套条纹在空间任一位置对比度都比较好，因此，当两套干涉条纹重合时，对比度是更好的，测量将是更精确。此方法的条件限制是要求试件φ角比较小。

第三篇：衍射光栅教案wj

衍射光栅

目的要求：

1、了解光栅这种光学元件，掌握光栅系数；

2、掌握光栅方程，并能够利用光栅方程求解谱线的位置；

3、理解光栅缺级现象的产生，掌握光栅缺级的条件。重点、难点和突破方法：

重点：光栅方程及其谱线位置 难点：光栅衍射的缺级现象 突破方法：实例分析理解 教具：PPT 教学内容和步骤

一、回顾引入

夫琅禾费单缝衍射装置：

光程差：asin

2,(k1,2,3,)，将产生明条纹；当(2k1)当2k2（k的取值同上），将产生暗条纹；当0时，将形成中央明条纹。

但单缝衍射所产生的衍射条纹很宽，除了中央明纹之外，其他各级明纹的光强都很小，各级明纹间分得也不很清楚。

二、新知讲授

1、光栅

定义：大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学元件。主要分为透射光栅和反射光栅。

光栅常数 透光部分a 不透光部分b 光栅常数d

ab

2、光栅的投射场分布

随着光栅上缝的条数增加，透射的亮条蚊变得更加细而明亮。

3、光栅方程

两两相邻光线的光程差都相同。如果在某个方向上，相邻两光线光程差为k，则所有光线在该方向上都满足加强条件。用平行光垂直照射在光栅上，相邻两条光线的光程差为(ab)sindsin

即(ab)sindsink，(k0,1,2,3,)，这就是光栅方程。

d根据光栅方程可以得到光屏上能够看到的明条纹最大级数kmax

4、谱线位置

ab。

光屏上的亮条纹错落有序的分布着，那这些条纹的位置是如何分布的？又怎么去求得这些条纹的间距？

如图所示，假设光沿着衍射角衍射时，此时在光屏上形成亮条纹，此亮条纹距离屏幕中心的距离为x，根据几何关系，可知

xftan。

由于衍射角比较小，则tan又根据光栅方程sin故xksin。

k，abf，这就是谱线的位置方程。（条纹之间的间距相等。）ab例1：分光计作光栅实验，用波长632.8nm的激光照射光栅常数d1300mm的光栅上，问最多能看到几条谱线 解：在分光计上观察谱线，最大衍射角为90o 由光栅方程(ab)sinkmax(ab)sin90ok得，5.3

取kmax5 故能够看到11条谱线。

5、缺级现象

在光栅透射场分布中，发现了有些条纹之间的间距比其他条纹之间的间距大很多，这是由于光栅的缺级现象造成的。物理机理：

（1）光栅衍射是单缝衍射与多光束干涉合成的结果，光栅中各主极大受到单缝衍射光强的调制。

（2）当光栅明条纹处满足单缝衍射暗纹条件，该处光强为零，出现缺级。缺级条件

光栅衍射加强条件：(ab)sin单缝衍射减弱条件：asink

k

abk两式相比，即可得

ak故光谱会在第k

6、光栅光谱

当白光入射到光栅上，除中央亮纹形成白光外，两侧分布着由紫色到红色的条纹，称为光栅光谱。

光栅是一种色散元件。

abk（k1,2,3,a）级发生缺级现象。

例2：在垂直入射到光栅的平行光中，包含有波长分别为1和2600nm的两种光，已知1的第五级光谱和2的第四级恰好重合在离中央明条纹5cm处，并发现1的第三级缺级，已知f0.5m，试求：（1）波长1和光栅常数d；

（2）光栅的缝宽a至少应为多少？ 解：

（1）根据光栅谱线位置方程

x1fk11d，xk222fd。

由题意可知，x1x2

k21k24.8107m

1dfk22x2.4105m

2（2）由缺级条件dkak（k1,2,3,）得 akkd（k1,2,3,），故(a)1mind81063m。

三、小结

1、光栅及光栅常数；

2、光栅衍射透射场分布；

3、光栅方程及其最大级数；

4、光栅衍射中明条纹位置及缺级现象；

5、光栅光谱。

四、作业

规范作业第44张

第四篇：光栅衍射 思考题与解答

2.当 狭 缝 太 宽、太 窄 时 将 会 出 现 什 么 现 象 ? 为 什 么 ? 答  狭 缝 太 宽  则 分 辨 本 领 将 下 降  如 两 条 黄 色 光 谱 线 分 不 开。狭 缝 太 窄  透 光 太 少  光 线 太 弱  视 场 太 暗 不 利 于 测 量。3.为 什 么 采 用 左 右 两 个 游 标 读 数 ? 左 右 游 标 在 安 装 位 置 上 有 何 要 求 ?答  采 用 左 右 游 标 读 数 是 为 了 消 除 偏 心 差  安 装 时 左 右 应 差 1 8 0 º

1）测d和λ时，，实验要保证什么条件？如何实现如何实现如何实现如何实现？？？？

答要求条件1：分光计分光计分光计分光计望远镜适合观察平行光，平行光管发出平行光，并且二者光轴均垂直于分光计主轴。实现：先用自准法调节望远镜，再用调节好的望远镜观察平行光管发出的平行光，调节缝宽和平行光管的高度，使得狭缝的象最清晰而且正好被十字叉丝的中间一根横线等分，分光计就调节好了。要求条件2：光栅平面与平行光管的光轴垂直。实现：如本文4.1所述，首先粗调，然后，当发现两者相差超过2′时，应当判断零级谱线更接近哪一侧的谱线，若接近左侧谱线，则光栅应顺时针旋转（从分光计上方看），反之应该逆时针旋转，再次测量。

3、用什么办法来测定光栅常数？光栅常数与衍射角有什么关系？ 答：用测量显微镜来测量光栅常数。根据光栅衍射方程 dsinφ＝kλ知道，光栅常数d与衍射角的正弦sinφ成反比。

4、测光波长应保证什么条件？实验时这些条件是怎样保证的？ 答：测光波长应保证入射的单色平行光垂直于光栅平面，否则该式将不成立。实验时通过调节平行光管与光栅平面垂直来保证式成立。

5、分光计主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？为什么要设置一对左右游标？ 答：分光计主要包括：望远镜、平行光管、刻度盘、游标盘等。设置一对左右游标的目的是为了消除刻度盘与游标盘之间的偏心差。

6、调节分光计的基本要求是什么？为什么说望远镜的调节是分光计调节中的关键？ 答：简单地说，调节分光计的基本要求是使分光计各部分都处于良好的工作状态。因为分光计的水平调节、平行光管的调节等都要借助于望远镜，所以说望远镜的调节是分光计调节中的关键。

7、在调整望远镜时，这什么要将平面镜放在垂直于载物台两螺钉的连线位置？ 答：这是为了调节方便。此时只需调节载物台上三个螺丝中的一个螺丝即可以完成望远镜水平的调节。

8、什么叫视差？怎样判断有无视差存在？本实验中哪几步调节要消除视差？ 答：视差是指望远镜目镜中刻划线的象与谱线的的象不在同一竖直平面内。有无视差可以通过稍稍移动眼睛的位置，看谱线与刻划线的相对位置是否改变来判断。调节望远镜与光栅垂直时，观察光栅衍射条纹时。

9、单色光的光栅衍射图样和单缝的衍射图样有何异同？利用光栅测量光波波长比用单缝有何优点？ 答：用衍射光栅测光波波长时，由于衍射现象非常明显，衍射条纹间距较大，测量衍射角比较准确，因此光波波长的测量结果也较准确。单缝衍射测光波波长则没有上述优点，故测量结果往往误差较大。

3.当平行光管的狭缝很宽时对测量有什么影响? 答造成测量误差偏大降低实验准确度。不过可采取分别测狭缝两边后求两者平均以降低误差。4.若在望远镜中观察到的谱线是倾斜的则应如何调整? 答证明狭缝没有调与准线重合有一定的倾斜拿开光栅调节狭缝与准线重合。5.为何作自准调节时,要以视场中的上十字叉丝为准而调节平行光管

时却要以中间的大十字叉丝为准? 答因为在自准调节时照明小灯在大十字叉丝下面另外要保证准直镜与望远镜垂直就必须保证其在大十字叉丝上面并且距离为灯与大十字叉丝相同的地方即以视场中的上十字叉丝为准。现在很容易就知道为什么在调节平行光管时却要以中间的大十字叉丝为准了。6.光栅光谱与棱镜光谱相比有什么特点? 答棱镜光谱为连续的七色光谱并且光谱经过棱镜衍射后在两边仅仅分别出现一处 光栅光谱则不同它为不连续的并且多处在平行光管轴两边出现另外还可以条件狭缝的宽度以保证实验的精确度。

第五篇：《大学物理实验》教案实验22 衍射光栅

实验 22 衍射光栅

一、实验目的：

1.观察光栅的衍射光谱，理解光栅衍射基本规律。2.进一步熟悉分光计的调节和使用。

3.测定光栅常数和汞原子光谱部分特征波长。

二、实验仪器：

分光计、光栅、汞灯。

三、实验原理及过程简述：

1.衍射光栅、光栅常数 光栅是由大量相互平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）构成。其示意图如图 1 所示。

图2

光栅上若刻痕宽度为 a，刻痕间距为 b，则 d＝a 十 b 称为光栅常数，它是光栅基本参数之一。2.光栅方程、光栅光谱

根据夫琅和费光栅衍射理论，当一束平行单色光垂直入射到光栅平面上时，光波将发生衍射，凡衍射角

满足光栅方程： 图1，k 0，± 1，± 2...（1）时，光会加强。式中λ为单色光波长，k 是明条纹级数。衍射后的光波经透镜会聚后，在焦平面上将形成分隔得较远的一系列对称分布的明条纹，如图 2 所示。如果人射光波中包含有几种不同波长的复色光，则经光栅衍射后，不同波长光的同一级（k）明条纹将按一定次序排列，形成彩色谱线，称为该入射光源的衍射光谱。图 3 是普 0通低压汞灯的第一级衍射光谱。它每一级光谱中有四条特征谱线：紫色λ14358 A ；绿色λ 0 0 025461 A ；黄色两条 λ3＝5770 A 和λ45791 A。

3.光栅常数与汞灯特征谱线波长的测量 由方程（1）可知，若光垂直入射到光栅上，而第一级光谱中波长λ1 已知，则测出它相应的衍射角为 1，就可算出光栅常数 d；反之，若光栅常数已知，则可由式（1）测出光源发射的各特征谱线的波长 i。角的测量可由分光计进行。

4．实验内容与步骤

a.分光计调整与汞灯衍射光谱观察（1）调整好分光计。

（2）将光栅按图 4 所示位置放于载物台上。通过调平螺丝 a 1 或 a 3 使光栅平面与平行光管光轴垂直。然后放开望远镜制动螺丝，转动望远镜观察汞灯衍射光谱，中央（K 0）零级为白色，望远镜转至左、右两边时，均可看到分立的四条彩色谱线。若发现左、右两边光谱线不在同一水平线上时，可通过调平螺丝 a 2，使两边谱线处于同一水平线上。

（3）调节平行光管狭缝宽度。狭缝的宽度以能够分辨出两条紧靠的黄色谱线为准。

b.光栅常数与光谱波长的测量