薛任翔

摘 要：光波波長(zhǎng)是光波的基本性質(zhì)，測(cè)量光波波長(zhǎng)有助于對(duì)光波進(jìn)行更深層次的了解。運(yùn)用不同種方法探究光波波長(zhǎng)，能夠使得光波波長(zhǎng)的測(cè)量方法趨于多元。在日常生活和科學(xué)研究中，應(yīng)根據(jù)不同種情況確定不同種測(cè)定光波波長(zhǎng)的方法，以達(dá)到最佳測(cè)量效果。

關(guān)鍵詞：光波波長(zhǎng);雙棱鏡;光盤片;分光計(jì);光的衍射

中圖分類號(hào)：TB???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.092

0 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展進(jìn)步，光波在科學(xué)發(fā)展的領(lǐng)域中也越來越具有重要的地位，很多儀器裝備都與光波有關(guān)，如光波給食物加熱，遙控等等，而在這些應(yīng)用中我們需要不同波長(zhǎng)的光波，在選擇光波時(shí)，波長(zhǎng)則是一個(gè)重要的參量，因此對(duì)光波波長(zhǎng)的測(cè)量方法在科學(xué)領(lǐng)域中也是尤為重要的，因此我們要懂得光波波長(zhǎng)的測(cè)量方法并加以應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 雙棱鏡測(cè)量光波波長(zhǎng)

假如兩列相同頻率的光波并且這兩列光波的相位差不隨時(shí)間而發(fā)生變化，當(dāng)沿著相同的方向傳播時(shí)，那么在兩列光波相交的地方，光強(qiáng)的分布不均勻，在某些明亮的地方光強(qiáng)表現(xiàn)為加強(qiáng)，在某些較暗的地方光強(qiáng)表現(xiàn)為減弱，發(fā)生的這種現(xiàn)象稱為光的干涉。

菲涅耳利用圖1.1所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到了兩列光束的干涉現(xiàn)象，圖1.1所示的裝置中AB為雙棱鏡，它的外形結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，假設(shè)兩個(gè)虛光源S1和S2之間的距離為d′時(shí)，兩個(gè)虛光源S1和S2所在的平面到觀察屏P的距離為d，且d′<

λ=dΔx（1）。

1.2 用光盤片測(cè)量光波波長(zhǎng)

光盤片是由一個(gè)個(gè)壓制在光盤上的細(xì)小坑點(diǎn)儲(chǔ)存的，這些坑點(diǎn)與坑點(diǎn)之間的平面構(gòu)成了凹凸不平的軌道，光盤以此來儲(chǔ)存信息。而光盤上的坑點(diǎn)同導(dǎo)軌可以充當(dāng)反射光柵的刻痕，從而使光線發(fā)生反射與衍射。如圖1.5所示為光盤片的橫截面。如圖1.6所示，當(dāng)平行光以入射角θ0照射在光柵常數(shù)（光柵兩刻線的間距）為d的反射光柵上時(shí)，當(dāng)衍射光線與入射光線分布在法線兩側(cè)時(shí)，則由圖1.6可知，衍射角為θ的相鄰衍射光之間的光程差（光程之間的差值，是表明干涉條紋性質(zhì)的量。光程為光線在通過不同介質(zhì)后，兩段光線之間的差值）為Δ等于向量Bb與向量Aa的差等于dsinθ0-dsinθ。當(dāng)入射光與衍射光在法線同側(cè)時(shí)光程差Δ等于向量Bb與向量Ba的和等于dsinθ0+dsinθ。根據(jù)光柵衍射理論可得，反射光柵在極亮位置滿足公式Δ=kλ（λ=0，±1，±2等）。因此，反射光柵方程為d（sinθ0±sinθ）=k（k=0，±1，±2），當(dāng)入射光與衍射光在法線同側(cè)時(shí)，等式取正號(hào);入射光與衍射光在法線異側(cè)時(shí)，等式取負(fù)號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 用雙棱鏡測(cè)量光波波長(zhǎng)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

觀察干涉現(xiàn)象;加深理解干涉產(chǎn)生的條件;掌握雙棱鏡來測(cè)量光波波長(zhǎng)的方法。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)器材

單色光源，輔助透鏡，光具座，可調(diào)狹縫，雙棱鏡，測(cè)物目鏡，白屏。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將單色光源，匯聚透鏡，狹縫，雙棱鏡和目鏡依次排列在光具座上，并調(diào)節(jié)它們的高度，使得它們的中心在同一高度上。使雙棱鏡的地面與系統(tǒng)的光軸垂直（如圖1.1）。

（2）點(diǎn)亮光源，使得光線透過狹縫，并由雙棱鏡折射之后將光線打到光屏上，此時(shí)可觀察到光波的干涉圖樣，測(cè)量干涉條紋的間距及相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）精確測(cè)量狹縫至光屏的距離并測(cè)量出兩個(gè)光源之間的距離。

2.1.4 注意事項(xiàng)

（1）單色光源，匯聚透鏡，狹縫，雙棱鏡和目鏡中心如果不在同一高度，極有可能會(huì)造成干涉圖樣不清晰，甚至導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無現(xiàn)象，所以務(wù)必要將單色光源，匯聚透鏡，狹縫，雙棱鏡和目鏡的中心保持在同一高度。

（2）狹縫的寬度不可太寬，過寬的狹縫會(huì)造成光波的衍射現(xiàn)象不明顯，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯。

（3）外部的光線不要太強(qiáng)，最好在暗室中進(jìn)行測(cè)量，防止外部光線導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。

（4）測(cè)量的工具必須精確，否則將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)。

（5）多做幾次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，減小實(shí)驗(yàn)誤差。

（6）看到清晰的明暗相間的干涉條紋之后，前后移動(dòng)雙棱鏡或目鏡，使得在觀察屏上得到的干涉條紋的寬度達(dá)到合適的值，不改變條紋清晰度，適當(dāng)?shù)脑黾营M縫寬度，來確保干涉條紋能夠有更強(qiáng)的亮度。

（7）雙棱鏡的折射率不宜太大，否則影響實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

2.1.5 數(shù)據(jù)處理

（1）為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確，可多測(cè)量幾條光波干涉的寬度，再除以光波條數(shù)。

（2）用最小二乘法估計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的波動(dòng)值。

（3）用所測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算出光波波長(zhǎng)。

2.2 用光盤片測(cè)量光波波長(zhǎng)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

學(xué)會(huì)使用光盤片測(cè)量光波波長(zhǎng)，觀察使用光盤片測(cè)量光波波長(zhǎng)所產(chǎn)生的現(xiàn)象。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

光盤片;未知波長(zhǎng)的光源;分光計(jì);游標(biāo)盤;望遠(yuǎn)鏡。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將光盤片作為反射光柵，其光柵常數(shù)為軌跡之間的間距。

（2）測(cè)量反射，入射角。

（3）調(diào)節(jié)分光計(jì)，將游標(biāo)盤固定，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡與刻度盤，測(cè)出望遠(yuǎn)鏡正對(duì)平行光管的角度，再將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到靠近平行光管的一邊，固定望遠(yuǎn)鏡，測(cè)出此時(shí)的角度，計(jì)算入射光與衍射光的夾角。

（4）將光盤片置于載物臺(tái)上，沿軌跡方向垂直放置，測(cè)量出光柵與望遠(yuǎn)鏡垂直時(shí)的角度，轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤改變光柵方向，即可在望遠(yuǎn)鏡中出現(xiàn)不同顏色的光譜，測(cè)出待測(cè)譜線對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡叉絲時(shí)對(duì)應(yīng)的角度，則衍射角θ=β-β0入射角θ0=a+θ。當(dāng)入射光與衍射光在光柵法線同側(cè)時(shí)，衍射角為正值，當(dāng)入射光與衍射光在光柵法線異側(cè)時(shí)，衍射角為負(fù)值。

3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)與展望

3.1 雙棱鏡測(cè)量鈉光波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（1）該實(shí)驗(yàn)改良了測(cè)量光波波長(zhǎng)最基本的方法，將雙縫替換為雙棱鏡，但他們二者的功能基本相同，均是要將單束光轉(zhuǎn)化為相干光源，從而保證實(shí)驗(yàn)的后續(xù)進(jìn)行。并且該實(shí)驗(yàn)在光源后加入一個(gè)匯聚透鏡，匯聚了光線，增強(qiáng)了光的強(qiáng)度，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更明顯并且對(duì)于光源的要求下降，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更易測(cè)量。但雙棱鏡及匯聚透鏡的加入，使得原本單色光源，單縫，雙縫，目鏡和光屏的中心與雙棱鏡，匯聚透鏡的中心更難保持在一條線直線上，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)精確度下降。

（2）匯聚透鏡匯聚的光線必須要正好通過狹縫，且雙棱鏡的位置必須精確。這對(duì)于儀器的固定提出了更高要求。

匯聚透鏡和雙棱鏡均為精密光學(xué)儀器，極易造成損壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)。

3.2 光盤片測(cè)量光波波長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)

（1）由于光盤片的透明基底比較厚，所以光盤片制成的光柵的角色散比較大，為得到足夠的分辨率，要求狹縫比較細(xì)，這又使得光強(qiáng)變?nèi)?，不便觀測(cè)，可利用透鏡將光源聚焦在狹縫上，以保證有足夠的光強(qiáng)來觀測(cè)。

（2）該實(shí)驗(yàn)利用光盤片來代替衍射光柵，取材方便且貼近實(shí)際生活，因此極大方便了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行且實(shí)驗(yàn)成本降低。但光盤片本身并非正規(guī)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，所以可能實(shí)驗(yàn)誤差較大且發(fā)生其它的光學(xué)現(xiàn)象，例如容易發(fā)生光的色散，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)在測(cè)量時(shí)難度上升。

（3）光盤片在作為衍射光柵時(shí)，其自身的坑點(diǎn)間距并不均等，且坑點(diǎn)的長(zhǎng)度也不固定，這就給實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行帶來的難度。這就要求我們?cè)趯?shí)驗(yàn)開始前必須要把光盤片的相關(guān)數(shù)據(jù)確定，但光盤片的軌跡間距只有1μm左右?？傊?，光盤片雖然取材方便，但卻加大了實(shí)驗(yàn)的難度，使實(shí)驗(yàn)需要耗費(fèi)大量步驟在測(cè)量光盤片的相關(guān)數(shù)據(jù)上。

3.3 實(shí)驗(yàn)的調(diào)整

利用雙棱鏡測(cè)量光波波長(zhǎng)主要要求是到光屏的衍射光線必須是像惠更斯原理所述的由點(diǎn)光源所發(fā)出的球面波，所以經(jīng)匯聚透鏡匯聚的激光光束必須正好照射在針孔板上的針孔。由于經(jīng)匯聚透鏡匯聚的光線太細(xì)微，可先在針孔板前墊一張白紙來判斷匯聚光的位置，再調(diào)整紙板。如實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，先檢查看各光學(xué)儀器是否在同一平面上，再邊移動(dòng)紙板邊觀察，看在什么位置上光圈最圓最亮，即以此為最佳位置。而對(duì)于用光盤片測(cè)量光波波長(zhǎng)時(shí)，需要增加光強(qiáng)，使用單色光來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，盡量選取數(shù)據(jù)明確，坑點(diǎn)均勻的光盤片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為了減小誤差，可以多測(cè)幾組數(shù)據(jù)。

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