摘 要： 光波波长是光波的基本性质, 测量光波波长有助于对光波进行更深层次的了解。运用不同种方法探究光波波长, 能够使得光波波长的测量方法趋于多元。在日常生活和科学研究中, 应根据不同种情况确定不同种测定光波波长的方法, 以达到最佳测量效果。
关键词： 光波波长; 双棱镜; 光盘片; 分光计; 光的衍射;
0 引言
随着科学的发展进步, 光波在科学发展的领域中也越来越具有重要的地位, 很多仪器装备都与光波有关, 如光波给食物加热, 遥控等等, 而在这些应用中我们需要不同波长的光波, 在选择光波时, 波长则是一个重要的参量, 因此对光波波长的测量方法在科学领域中也是尤为重要的, 因此我们要懂得光波波长的测量方法并加以应用。
1 实验原理
1.1 双棱镜测量光波波长
假如两列相同频率的光波并且这两列光波的相位差不随时间而发生变化, 当沿着相同的方向传播时, 那么在两列光波相交的地方, 光强的分布不均匀, 在某些明亮的地方光强表现为加强, 在某些较暗的地方光强表现为减弱, 发生的这种现象称为光的干涉。
菲涅耳利用图1.1所示的装置进行实验, 观测到了两列光束的干涉现象, 图1.1所示的装置中AB为双棱镜, 它的外形结构如图1.2所示, 假设两个虚光源S1和S2之间的距离为d′时, 两个虚光源S1和S2所在的平面到观察屏P的距离为d, 且d′<<d, 干涉条纹之间的距离为Δx, 则可以算出实验所用光源的波长λ为
图1 菲涅耳的实验
1.2 用光盘片测量光波波长
光盘片是由一个个压制在光盘上的细小坑点储存的, 这些坑点与坑点之间的平面构成了凹凸不平的轨道, 光盘以此来储存信息。而光盘上的坑点同导轨可以充当反射光栅的刻痕, 从而使光线发生反射与衍射。如图1.5所示为光盘片的横截面。如图1.6所示, 当平行光以入射角θ0照射在光栅常数 (光栅两刻线的间距) 为d的反射光栅上时, 当衍射光线与入射光线分布在法线两侧时, 则由图1.6可知, 衍射角为θ的相邻衍射光之间的光程差 (光程之间的差值, 是表明干涉条纹性质的量。光程为光线在通过不同介质后, 两段光线之间的差值) 为Δ等于向量Bb与向量Aa的差等于dsinθ0-dsinθ。当入射光与衍射光在法线同侧时光程差Δ等于向量Bb与向量Ba的和等于dsinθ0+dsinθ。根据光栅衍射理论可得, 反射光栅在极亮位置满足公式Δ=kλ (λ=0, ±1, ±2等) 。因此, 反射光栅方程为d (sinθ0±sinθ) =k (k=0, ±1, ±2) , 当入射光与衍射光在法线同侧时, 等式取正号;入射光与衍射光在法线异侧时, 等式取负号。
2 实验内容
2.1 用双棱镜测量光波波长
2.1.1 实验目的
观察干涉现象;加深理解干涉产生的条件;掌握双棱镜来测量光波波长的方法。
2.1.2 实验器材
单色光源, 辅助透镜, 光具座, 可调狭缝, 双棱镜, 测物目镜, 白屏。
2.1.3 实验步骤
(1) 将单色光源, 汇聚透镜, 狭缝, 双棱镜和目镜依次排列在光具座上, 并调节它们的高度, 使得它们的中心在同一高度上。使双棱镜的地面与系统的光轴垂直 (如图1.1) 。
(2) 点亮光源, 使得光线透过狭缝, 并由双棱镜折射之后将光线打到光屏上, 此时可观察到光波的干涉图样, 测量干涉条纹的间距及相关数据。
(3) 精确测量狭缝至光屏的距离并测量出两个光源之间的距离。
2.1.4 注意事项
(1) 单色光源, 汇聚透镜, 狭缝, 双棱镜和目镜中心如果不在同一高度, 极有可能会造成干涉图样不清晰, 甚至导致实验无现象, 所以务必要将单色光源, 汇聚透镜, 狭缝, 双棱镜和目镜的中心保持在同一高度。
(2) 狭缝的宽度不可太宽, 过宽的狭缝会造成光波的衍射现象不明显, 导致实验结果不明显。
(3) 外部的光线不要太强, 最好在暗室中进行测量, 防止外部光线导致的实验误差。
(4) 测量的工具必须精确, 否则将导致实验数据不精准。
(5) 多做几次重复实验, 减小实验误差。
(6) 看到清晰的明暗相间的干涉条纹之后, 前后移动双棱镜或目镜, 使得在观察屏上得到的干涉条纹的宽度达到合适的值, 不改变条纹清晰度, 适当的增加狭缝宽度, 来确保干涉条纹能够有更强的亮度。
(7) 双棱镜的折射率不宜太大, 否则影响实验相关数据的测量。
2.1.5 数据处理
(1) 为保证实验数据精确, 可多测量几条光波干涉的宽度, 再除以光波条数。
(2) 用最小二乘法估计实验测量的波动值。
(3) 用所测量的数据计算出光波波长。
2.2 用光盘片测量光波波长
2.2.1 实验目的
学会使用光盘片测量光波波长, 观察使用光盘片测量光波波长所产生的现象。
2.2.2 实验仪器
光盘片;未知波长的光源;分光计;游标盘;望远镜。
2.2.3 实验步骤
(1) 将光盘片作为反射光栅, 其光栅常数为轨迹之间的间距。
(2) 测量反射, 入射角。
(3) 调节分光计, 将游标盘固定, 转动望远镜与刻度盘, 测出望远镜正对平行光管的角度, 再将望远镜转到靠近平行光管的一边, 固定望远镜, 测出此时的角度, 计算入射光与衍射光的夹角。
(4) 将光盘片置于载物台上, 沿轨迹方向垂直放置, 测量出光栅与望远镜垂直时的角度, 转动游标盘改变光栅方向, 即可在望远镜中出现不同颜色的光谱, 测出待测谱线对准望远镜叉丝时对应的角度, 则衍射角θ=β-β0入射角θ0=a+θ。当入射光与衍射光在光栅法线同侧时, 衍射角为正值, 当入射光与衍射光在光栅法线异侧时, 衍射角为负值。
3 实验总结与展望
3.1 双棱镜测量钠光波长实验总结
(1) 该实验改良了测量光波波长最基本的方法, 将双缝替换为双棱镜, 但他们二者的功能基本相同, 均是要将单束光转化为相干光源, 从而保证实验的后续进行。并且该实验在光源后加入一个汇聚透镜, 汇聚了光线, 增强了光的强度, 使实验现象更明显并且对于光源的要求下降, 实验数据更易测量。但双棱镜及汇聚透镜的加入, 使得原本单色光源, 单缝, 双缝, 目镜和光屏的中心与双棱镜, 汇聚透镜的中心更难保持在一条线直线上, 导致实验精确度下降。
(2) 汇聚透镜汇聚的光线必须要正好通过狭缝, 且双棱镜的位置必须精确。这对于仪器的固定提出了更高要求。
汇聚透镜和双棱镜均为精密光学仪器, 极易造成损坏, 导致数据不精准。
3.2 光盘片测量光波波长实验总结
(1) 由于光盘片的透明基底比较厚, 所以光盘片制成的光栅的角色散比较大, 为得到足够的分辨率, 要求狭缝比较细, 这又使得光强变弱, 不便观测, 可利用透镜将光源聚焦在狭缝上, 以保证有足够的光强来观测。
(2) 该实验利用光盘片来代替衍射光栅, 取材方便且贴近实际生活, 因此极大方便了实验的进行且实验成本降低。但光盘片本身并非正规的光学实验仪器, 所以可能实验误差较大且发生其它的光学现象, 例如容易发生光的色散, 导致实验在测量时难度上升。
(3) 光盘片在作为衍射光栅时, 其自身的坑点间距并不均等, 且坑点的长度也不固定, 这就给实验的进行带来的难度。这就要求我们在实验开始前必须要把光盘片的相关数据确定, 但光盘片的轨迹间距只有1μm左右。总之, 光盘片虽然取材方便, 但却加大了实验的难度, 使实验需要耗费大量步骤在测量光盘片的相关数据上。
3.3 实验的调整
利用双棱镜测量光波波长主要要求是到光屏的衍射光线必须是像惠更斯原理所述的由点光源所发出的球面波, 所以经汇聚透镜汇聚的激光光束必须正好照射在针孔板上的针孔。由于经汇聚透镜汇聚的光线太细微, 可先在针孔板前垫一张白纸来判断汇聚光的位置, 再调整纸板。如实验现象不明显, 先检查看各光学仪器是否在同一平面上, 再边移动纸板边观察, 看在什么位置上光圈最圆最亮, 即以此为最佳位置。而对于用光盘片测量光波波长时, 需要增加光强, 使用单色光来进行实验, 尽量选取数据明确, 坑点均匀的光盘片进行实验, 为了减小误差, 可以多测几组数据。
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