光学课程设计报告

工程光学课程设计(论文)

设计（论文）题目光栅衍射测定光的波长

学院名称核技术与自动化工程学院

专业名称测控技术与仪器

学生姓名***

学生学号************

任课教师***

设计（论文）成绩

教务处制

年月日

填写说明

1、专业名称填写为专业全称，有专业方向的用小括号标明；

2、格式要求：格式要求：

①用A4纸双面打印（封面双面打印）或在A4大小纸上用蓝黑色水笔书写。

②打印排版：正文用宋体小四号，1.5倍行距，页边距采取默认形式（上下2.54cm，

左右2.54cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm）。字符间距为默认值（缩放100%，间距：标准）；页码用小五号字底端居中。

③具体要求：

题目（二号黑体居中）；

摘要(“摘要”二字用小二号黑体居中，隔行书写摘要的文字部分，小4号宋体)；

关键词（隔行顶格书写“关键词”三字，提炼3-5个关键词，用分号隔开，小4号黑体)；

正文部分采用三级标题；

第1章××(小二号黑体居中，段前0.5行)

1.1 ×××××小三号黑体×××××（段前、段后0.5行）

1.1.1小四号黑体（段前、段后0.5行）

参考文献（黑体小二号居中，段前0.5行），参考文献用五号宋体，参照《参考文献著录规则（GB/T 7714－2005）》。

目录

摘要 (1)

主要内容 (1)

一课程设计目的 (1)

二课程设计要求 (1)

三课程设计原理 (2)

1.光栅 (2)

2.光栅的工作原理 (2)

3.光栅的应用 (3)

4.分光计 (4)

(5)

四课程设计实验过程 (6)

1.调整分光计 (6)

2.测量光栅常数 (7)

3.测量其他光的波长 (9)

五课程设计实验现象及数据处理 (10)

1.光栅常数测定实验数据 (10)

2.其他颜色光波长测定数据 (10)

六课程设计实验现象及分析 (11)

1.部分实验现象 (11)

2.现象分析 (12)

七总结 (13)

参考文献 (13)

摘要

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。根据夫琅禾费衍射理论，光束垂直入射到光栅平面时，光波在各个狭缝处发生衍射，各个狭缝的衍射由彼此发生干涉，会产生一个条纹线。我们根据这个谱线，结合光栅方程，对实验所需数据进行测量，从而计算出光的波长。

主要内容

了解光栅的工作原理，光栅的应用，利用光栅的特性和实验仪器准确地测量和计算出光的波长。

关键词：光栅；衍射；干涉；光栅谱线；

一课程设计目的

（1）熟练分光计的调节

（2）理解光栅衍射现象

（3）学习用光栅衍射法测量光的波长

二课程设计要求

（1）掌握光栅的工作原理

（2）了解光栅的应用

（3）搭建衍射光栅实验系统

（4）观察衍射现象

（5）计算光的波长

（6）总结

1

三课程设计原理

1.光栅

由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅（grating）。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅成为反射光栅。

2.光栅的工作原理

根据夫琅禾费衍射理论，当波长为λ的平行光垂直入射到光栅平面时，光波将在各个狭缝处发生衍射，所有缝的衍射又彼此发生干涉，而这种干涉条纹定域与无穷远处，当在光栅后面放置一个会聚透镜时，则各个方向上的衍射光都将会聚于透镜的焦平面上，从而得到衍射光的干涉条纹，如图(图片来自《大学物理实验》P126图4-14-1)所示。

由图4-14-1可得到相邻两缝对应点射出的光束的光程差为

Δ=（a+b）sinφ=dsinφ

式中，d为光栅常数，φ为衍射角。

2

3

当衍射角φ满足光栅方程

dsin φ=k λ，k=0，±1，±2，…

时，光会加强，式中λ为单色光波长，k 为明条纹级数，衍射后的光波经透镜会聚后，在焦平面上将形成分隔开的一系列对称分布的明条纹，如图4-14-1所示。

如果光源中包含几种不同波长的复色光，除零级外，同一级谱线将有不同的衍射角φ，因而在透镜焦平面上会出现波长次序排列的谱线，称为光栅光谱，相同k 值的谱线的光谱为同一级光谱，于是就有了一级光谱，二级光谱……之分。

3.光栅的应用

3.1透射直线式光栅

透射直线式光栅是用光电元件把两块光栅移动时产生的明暗变化转变为电流变化的方式。长光栅装在机床移动部件上，称为标尺光栅；短光栅装在机床固定部件上，称为指示光栅。标尺光栅和指示光栅均由窄矩形不透明的线纹和与其等宽的透明间隔组成。当标尺光栅相对线纹垂直移动时，光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上，若指示光栅的线纹与标尺光栅透明间隔完全重合，光电元件接受到的光通量最小。若指示光栅的线纹与标尺光栅的线纹完全重合，光电元件接受到的光通量最大。

因

此，标尺光栅移动过程中，光电元件接受到的光通量忽大忽小，产生了近似正弦波的电流。再用电子线路转变为数字以显示位移量。为了辨别运动方向，指示光栅的线纹错开1/4栅距，并通过鉴向线路进行辨别。由于这种光栅只能透过透明间隔，所以光强度较弱，脉冲信号不强，往往在光栅线较粗的场合使用。

3.2莫尔条纹式光栅

用得较普遍的是莫尔条纹式光栅，是将栅距相同的标尺光栅与指示光栅互相平行的叠放并保持一定的间隙（0.1㎜），然后将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ，那么两块光栅尺上的刻线交叉，在光源的照射下，相交点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距相交点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线占据的空间增大，因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。

3.3磁尺

磁尺又称为磁栅，是一种计算磁波数目的位置检测元件。可用于直线和转角的测量，其优点是精度高、复制简单及安装方便等，且具有较好的稳定性，常用在油污、粉尘较多的场合。因此，在数控机床、精密机床和各种测量机上得到了广泛使用。

磁尺是利用录磁原理工作的。先用录磁磁头将按一定周期变化的方波、正弦波或电脉冲信号录制在磁性标尺上，作为测量基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位移量用数字显示出来，并传输给数控系统。

4.分光计

4