利用钢尺测量激光的波长实验报告

利用钢尺测量激光的波长1、知识介绍人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱的一部分，其光谱范围大约为390nm至760nm。波长大于10nm小于390nm的光波叫紫外光，它有杀菌作用；波长大于760nm小于100μm左右的光波叫红外光，它能传递热量。红外线和紫外线不能引起视觉，但可以用光学仪器或摄影方法去量度和探测。光的颜色都由其波长决定，而与其强度、方向等因素无关。例如波长为390～450nm的光是紫色的，波长为620～770nm的光是红色的。光的波长是决定光波性质的最重要的参数之一。具有单一波长的光（频率）称为单色光，由不同波长的单色光混合而成的光称为复色光。自然界中的太阳光及人工制造的日光灯等发出的光都是复色光，它们通过三棱镜都能分解出红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的光，如图5-1所示。虽然这七种颜色的光都不能再被三棱镜分解为其他的色光，但是它们并不是真正意义上的单色光，每一种颜色的光都有相当宽的波长(或频率)范围，例如红光的波长范围为770～622nm。现在常用的单色光源是激光器输出的激光，这是因为激光的波长分布范围非常窄、单色性好、亮度高等特点。怎样才能测出光的波长呢？1801年，英国物理学家托马斯·杨（1773—1829）进行了著名的杨氏双缝干涉实验，精确测定了波长，并从实验上首次肯定了光的波动性。1807年托马斯·杨在他的论文中描述了双缝干涉实验时写道：“比较各次实验，看来空气中极红端的波的宽度约为三万六千分之一英寸，而极紫端则为六万分之一英寸。”这里“波的宽度”，就是波长，这些结果与现代的精确测量值近似相等。图5-1分光图测量光的波长的现代实验方法有很多，如利用迈克尔逊干涉仪或利用衍射光栅测量光波波长。可见光在真空中（或空气中）的波长只有万分之几毫米，因此以上实验仪器都是精密的光学仪器。那么本实验是怎么用最小分度为0.5mm的普通钢尺去“测量”纳米级的长度的呢？实验中所使用的钢尺表面刻有许多很细而且等间距的刻线，两相邻刻线间是可以对光反射的钢尺部分，间距为0.5mm或1mm，相当于狭缝，这就是现代高科技中常用的光学元件——“光栅”的雏形。光栅是分光器件，也称为衍射光栅，其分光效果好于三棱镜，它是根据多缝衍射的原理使光发生色散。具有空间周期性的衍射屏都可以叫做光栅，一般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，光栅的狭缝数量为每毫米几十至几千条，因此制作光栅是一种非常精密的技术。单色平行光通过光栅单缝衍射和多缝干涉的共同作用，形成明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽的光栅衍射图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线，谱线的位置随波长而异。在光栅衍射图样中，主极强亮纹的位置取决于dsinθ=kλ（k=0，±1，±2……）。式中d称为光栅常数，等于相邻狭缝对应点之间的距离，θ为衍射角，k为明条纹光谱级数，λ为波长（图5-2），由此式可以计算光波波长，即利用光栅衍射可以精确地测定波长。以上所说的光的衍射现象是指光在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘，偏离直线传播路径而进入阴影区里的现象。衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样，光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。当用一束强光照明小孔、圆屏、狭缝等障碍物时，在足够远的屏幕上会出现一幅幅不同的衍射图样，如图5-3所示。图5-3几种衍射图样图5-2光栅衍射示意图2、实验目的1)了解光栅测波长的原理2)用钢尺测量出激光的波长3、实验原理激光在现代科学技术与工程实践中应用是非常广泛的，在实际使用中，一般都要预先知道所用激光源的波长。因此，如何测定激光的波长就具有十分重要的意义。传统测量激光波长需要用到非常精密的测量仪器，本实验却用分度值为0.5mm的普通钢尺来测量600nm左右的激光的波长，这听起来是不是很不可思议？这里巧妙地利用了光的波动性质，它的测量原理如图5-4所示。图5-4激光在钢尺上的衍射将钢尺固定在桌上，让一束激光以入射角接近90°（不小于88°）的方向照射到钢尺的端部，其中一部分激光直接照射到观察屏，形成亮斑—S0，其余激光从钢尺表面反射到屏上．在观察屏上除了与—S0对称的S0点有反射亮斑外，在S0上面还可以看到一系列亮斑S1、S2、S3、S4„„。这是因为，钢尺上有刻痕的地方对入射光不反射,而光在两刻痕间的许多光滑面上反射(刻痕的间距是0.5mm）。这些反射光如果相位相同，则它们会相互叠加而加强，形成亮斑，否则会相互减弱。由此可见，此时钢尺的作用就类似反射光栅，其刻痕的间距就等同于光栅常数。如图5-5所示，激光器A点发出的光线经由钢尺上相邻光滑面B、B’的反射到达观察屏上的C。其光程差为＝ABC－AB，C=DB‘－BD‘=d(cos－cos)(5-1)图5-5光程差计算若光程差n（n=0，1，2，„），这些反射光的相位相同，屏上C点就会出现亮斑。0，显然，这就是S0处的亮斑；、2、3„„，则对应着亮斑S1、S2、S3、„„因此，由式(5-1)可知：)cos(cos1d（5-2）2)cos(cos2d（5-3）3)cos(cos3d（5-4）„„式中d=0.5mm，只要测出和1、2、3„„就可以算出波长的值。实验中，钢尺与观察屏垂直，则Lhtan(5-5)式中，L是尺端到屏的距离，h是各亮斑到O点的距离，O点位于S0点和-S0点的中心.量出各亮斑的距离带入(5-5)式，即可求计算得到其对应的值，亮斑S0的就是。4、实验仪器小型激光器一支，稳压电源一台，普通钢尺一把，卷尺一把，纸若干，单缝（单孔）、双缝（双孔)、多缝（多孔）光刻板5、注意事项激光是一种方向性和单色性都很好的强光，可能会损伤眼睛，使用时要十分小心。本实验所用的激光功率虽然不大，但也不能直接对着激光看，更应注意不让激光射到他人的眼睛。6、实验内容1)在离墙面上白板约2米处的一张桌子的两端相距约0.6米处分别放上激光器和一把钢尺，钢尺的前端（0～5mm部分，分度值为0.5mm)置于桌外，使钢尺与白板大致垂直，如图5-6所示。2)将激光器的电源线连接到稳压电源的电压输出端上。将稳压电源的“电表指示”选择“内”，输出电压旋钮打到“5V”档，电压微调至4.5V。调节激光器支架螺丝，使激光束对钢尺的夹角约2°左右，且光束的大部分恰好照到钢尺的前端，而小部分直接照到白板上。3)观察并记录激光以各种入射角在钢尺各部分反射的情况，什么情况下反射光斑近似是一个点？什么情况下反射光斑近似是一条线段？什么情况下反射光斑分裂为许多独立的光点？讨论其原因。并完成表格5-1。表5-1：反射光斑的观察与分析条件与分析反射光斑近似为点反射光斑近似为线段反射光斑为分裂的点出现条件原因分析4)在白板上出现亮点区域贴一张白纸条，并在纸条上用笔标记下-S0、S0、S1、S2、S3、S4等亮斑的位置，如图5-7所示，必须正确判别S0的位置，切勿搞错。注意：可让激光照在钢尺无刻痕的部位，以判别S0。图5-6用钢尺测激光波长装置图图5-7激光干涉亮斑示意图5)用卷尺量出从钢尺前端至白板的距离L。6)从白板上取下纸条，取-S0与S0的中点为O点，如图5-8所示，量出S0、S1、S2、S3„„各点与O点的距离（即各h值），由式（5-5）算出和，S0对应的即为，再由式（5-2）至式（5-4）等算出值。完成表5-2。表5-2：钢尺测量激光波长钢尺前端至白板的距离L＝cm。钢尺上最小刻度间距d＝mm。各长度测量值（mm）角度或(度)波长（nm）（nm）OS0＝=OS1＝1=OS2＝2=OS3＝3=OS4＝4=7)利用实验室提供的单缝（单孔）、双缝（双孔）、多缝（多孔）光刻板观察透射光的衍射和干涉现象。图5-8测量图示意图7、观察思考1)本实验中所用的钢尺可以用木尺或塑料尺代替吗？可以用本实验的方法测量手电筒光的波长吗？为什么？2)实验中激光束对钢尺的夹角约为2°左右，能不能取得更大或更小些？为什么？3)如果选择钢尺的最小刻度为1mm刻痕线再次做上述实验，观察到的亮点有何变化？结果有无变化？并说明理由。4)激光经过光栅后的图样和单缝后的衍射图样有什么区别，你能解释吗？8、拓展阅读1)各种光的波长与具体应用射线——波长小于0.02nm的电磁波。通过对射线谱的研究可了解核的能级结构。射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制，医疗上利用射线对细胞的杀伤力来治疗肿瘤。X射线——X波长范围约为0.01nm～10nm之间。由德国物理学家伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。X射线同样具有很强的穿透力，长期受X射线辐射对人体有伤害，医学上常用作透视检查，工业中用来探伤。由于晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，因此X射线衍射法已成为研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。紫外——波长从10—390nm的电磁波。日光灯、各种荧光灯和农业上用来诱杀害虫的黑光灯都是用紫外线激发荧光物质发光的。可见光——波长在390nm～760nm的电磁波。红外——近红外，波长760nm～1.5um，穿入人体组织较深，在监视设备中用的较多；远红外，波长1.5～1000um，多被表层皮肤吸收，常用于军事。微波——波长是1mm～1m的电磁波。日常所用微波炉磁控管的工作主波长是122mm，频率在2.45GHz左右，频率波动范围为10MHz左右。2)激光激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是LASER（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）的音译，意思是“受激辐射光放大”。1964年我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光技术是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，起源于大物理学家爱因斯坦1916年提出的一套全新的技术理论“受激辐射”。1960年，人类有史以来的第一束激光由美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼获得。同年，他成功研制出世界上第一台激光器，因而梅曼成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。激光的发展使古老的光学科学和光学技术获得了新生，激光的先进技术被人们广泛运用于生活生产、科学实验和军事技术上，创造了巨大的效益。激光有很多特性：首先，激光具有很好的单色性。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。如只发射红光的氖灯，波长分布的范围为10-5nm，而输出红光的氦氖激光器的波长分布范围只有2×10-9nm，是氖灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。其次，由于激发原理，激光束的发散度极小，所以激光的能量密度极大，亮度极高。由于激光的特性和广泛的用途，人们称它为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。激光器有很多种，有大有小，尺寸大的可至几个足球场，小的只有一粒稻谷或盐粒般大小。按照工作物质形态的不同分为气体激光器——氦－氖激光器（图5-9）和氩激光器、固体激光器——红宝石激光器、半导体激光器——激光二极管，以及液体和自由电子激光器。每一种激光器都有自己独特的产生激光的方法。3)衍射的特点衍射现象具有两个鲜明的特点：①光束在衍射屏上的某一方位受到限制，则远处屏幕上的衍射强度就沿该方向扩展开来。②光孔线度越小，光束受限制越厉害。当光孔线度远远大于光波长λ时，衍射效应很不明显,近似于直线传播；当光孔线度逐渐变小，衍射效应逐渐明显，在远处便出现亮暗分布的衍射图样；当光孔线度小到可以同光波长相比拟时，衍射效应极为明显，衍射范围弥漫整个视场，过渡为散射情形。近场衍射：观察屏与衍射屏的距离较近，衍射光线发散，也称菲涅耳衍射（图5-10）图5-9氦－氖激光器远场衍射：观察屏与衍射屏的距离很远，衍射光线接近平行，也称夫琅禾费衍射（图5-11）。4)衍射光栅的应用衍射光栅的性能稳定，分辨率高，角色散高而且随波长的变化小，所以在各种光谱仪器中得到广泛应用。主要用于分光，也用于长度和角度的精密测量、自动化测量及调制等。最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫