CN202008770U - 利用光栅常数测定光波波长实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于计算机辅助教学实验设备，具体地说是一种利用光栅常数测定光波波长实验仪。硬件由用线振CCD，激光器，光栅，透镜，数据采集卡、微型计算机组成，用线振CCD，激光器，光栅，透镜在光学平台上搭建出要求位置的光路图，数据采集卡将数码测微目镜取得的信息转换送到微型计算机处理。该系统采用电子成像器件CCD采集光谱，通过VB编写的实验软件对实验数据分析处理。由于CCD具有精度高、响应时间快、抗干扰能力强等优点，用其取代分光计，学生可实时在计算机屏幕上观测各阶段波形和直尺及其一级谱线的像，可视面大且操作方便。

Description

利用光栅常数测定光波波长实验仪

技术领域

本实用新型属于计算机辅助教学实验设备，具体地说是一种利用光栅常数测定光波波长实验仪。

背景技术

分光计是一种常用的光学仪器，实际上就是一种精确的测角仪。在物理光学实验中，加上分光元件(棱镜、光栅)即可作为分光仪器用来观察光谱，测量光谱线的波长等。普通物理实验中就采用分光计来测定光谱的衍射角。但由于分光计调节过于繁琐，且可视面小。于是目前有一些对其进行改进的报道。将光谱投影于固定在观察屏上的白纸，用铅笔记录两亮条纹的位置，再直接测量两条纹间的距离，从而可测量光谱线的波长。此法操作虽简单但人为引起的误差太大，且必须靠两人配合才能完成。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种的利用光栅常数测定光波波长实验仪。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：硬件由由线振CCD CCD，激光器S，光栅G，透镜L1和L2，数据采集卡、微型计算机组成，激光器S和线振CCD CCD分别放在两个透镜L1和L2的焦平面上，再由数据采集卡将线振CCD CCD取得的信息转换送到微型计算机处理。

本实用新型的一种利用光栅常数测定光波波长实验仪，系统采用电子成像器件CCD采集光谱，通过VB编写的实验软件对实验数据分析处理。由于CCD具有精度高、响应时间快、抗干扰能力强等优点，用其取代分光计，学生可实时在计算机屏幕上观测各阶段波形和直尺及其一级谱线的像，可视面大且操作方便。

附图说明

图1是本实用新型实施例的部分光路放大图

图2是本实用新型实施例的部分光路放大图

图3是本实用新型实施例的透射光栅光路图

图4是本实用新型实施例的软件流程图

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型也不仅限于实施例的内容。

如图3所示，本实用新型的利用光栅常数测定光波波长实验仪硬件由用线振CCD，激光器，光栅，透镜，数据采集卡、微型计算机组成，用线振CCD，激光器，光栅，透镜在光学平台上搭建出要求位置的光路图，数据采集卡将线振CCD取得的信息转换送到微型计算机处理。

当一束波长为λ的光线垂直照射到光栅上，那么它将发生衍射，形成光谱，其中第k级光谱的衍射角θ_k系由光栅方程dsinθ_k＝kλ决定，其中d为光栅常数。若d为己知，即可求出光波波长λ。反之，若光波波长λ已知，即可求出光栅常数d。如图1所示，设S为与纸面垂直的细长可调狭缝，G为透射光栅，光栅上相邻狭的间距即光栅常量为。自光源射出的光经狭缝S后垂直地照射在光栅G上，只要将可调狭缝的宽度调到合适的程度，则光栅后面的观察屏上将出现中间为锐细明亮的零级条纹而相对应的更加锐细且强度较小的亮条纹则对称地分布在零级像的两侧的明暗相间的衍射条纹。图1为放大的光路图，由图1可知屏上出现衍射亮纹的条件为：dsinθ＝kλ式中θ是衍射角，λ是光波波长，k是光谱级数(k＝0、±1、±2......)。当k＝0时，在θ＝0的方向上，就形成锐细明亮的零级像，而与k的正、负两组值相对应的亮条纹则对称地分布在零级像的两侧。

由图1可以看出：

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{x_k}{\sqrt{D^2+x_k^2}}---\left(1\right)$

x_k是观察屏上第k级亮纹与零级亮纹间的距离，D是光栅到观察屏的距离，可得到

$\mathrm{\λ}=\frac{d\sin \mathrm{\θ}}{k}=d\·\frac{x_k}{\sqrt{D^2+x_k^2}}---\left(2\right)$

实验中只要测出x_k及D值，则可由己知的光栅常量d或光波波长λ求出未知的光波波长或光栅常量。

1.2改造后透射光栅原理

如果按照上述实验方案进行的话，由于CCD的有效测量距离只有3.5CM。将不能接收到光信号，故在实验中加入透镜。如图3，S为点光源，L1，L2为透镜，G为透射光栅，CCD为线振CCD。其中点光源和CCD分别放在两透镜的焦平面上。

公式推导

如果光栅放置时，能够满足：光栅刻线与水平桌面垂直，其中第一光谱，其间距为2x，CCD与透镜的距离为f，而且点光源跟CCD分别在两个透镜的焦平面上可得：

$\sin \mathrm{\θ}\≈\frac{x}{f}---\left(3\right)$

由公式(3)可得 $\mathrm{\λ}=d\·\frac{x}{f}---\left(4\right)$

原实验使用分光计观测衍射光谱，直接从分光计的刻度盘上读出衍射角，根据方程(4)进行求解。

由于人眼直接观测很难确定两直尺光谱间的距离，因而测量光谱间距具有一定难度。改造后的实验(如图2)利用透镜折射，使衍射条纹出现在CCD上，CCD通过并行接口由计算机采集数据并实时处理数据、显示曲线图及相应数据。

根据式(4)，已知波长λ和透镜焦距f，只要测出衍射光栅各级亮条纹的间距x的值，就能计算光栅常数d。同理，已知光栅常数d和透镜焦距f，只要测出衍射光栅各级亮条纹的间距x的值，就能计算波长值λ。而x₁由计算机测量计算得到。

改造后的透射光栅有计算机参与，通过VB编程编译相应的软件程序。设计思路如图4软件流程图所示。

Claims (1)

1.一种利用光栅常数测定光波波长实验仪，其特征在于：由线振CCD[CCD]，激光器[S]，光栅[G]，透镜[L1]和[L2]，数据采集卡、微型计算机组成，激光器[S]和线振CCD[CCD]分别放在两个透镜的焦平面上，再由数据采集卡将线振CCD[CCD]取得的信息转换送到微型计算机处理。 

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