正入射光栅衍射现象实验探究

白旭峰　杨艳丽　曲保平

关键词：正入射光;光栅衍射现象;实验处理

在一般人的认知中，光是以直线传播的，若在传播过程中遇到阻挡物，则会以阻挡物外形投射相应阴影。根据这种衍射性质，如果光遇到与其波长相似的阻挡物，会在此时观察到光的衍射。以多缝衍射原理制成的衍射光栅，本质上是一种分光元件，是物理实验常见的仪器。为了让更多人灵活应用光栅，就要将其放置在类似正入射光的实际场景中，让实验内容更具参考价值。

1研究正入射光栅衍射现象的目的

作为光学研究的应用类元件，光栅可以应用在频谱领域，在分光领域也有较强的适用性，对光栅衍射的研究也可以为工程技术提供重要数据。在物理实验中，可以利用分光计测量光波波长，由用于观察光波的望远镜系统、调整观察光波设备的平行光管系统、负责承载设备重力的载物平台组成[1]。如果是在实验室条件下，则要对载物平台先进行调节，保证光栅面可以和望远镜光轴保持垂直状态，再对载物平台进行调节，让光栅刻痕可以与狭缝保持平行状态，并对载物平台进行旋转，保证光栅面可以与光管光轴保持垂直。通过对正入射光栅衍射现象的研究，操作人员可以在实验中达到以下目标：熟练掌握并灵活应用光栅衍射的基本原理;在光以正入射方式进入光栅时，观察光栅衍射现象，并有效分析現象;通过光栅衍射，对钠光、汞灯谱线一类常见波长值进行测定，进而研究发射光谱的基本原理;测量色散曲线或光栅常量等。从这些需求出发，科学展开实验。

2实验操作

2.1基本原理

本实验让光线以预先设计的垂直方式进入光栅，因为光栅狭缝规格和光波波长较为接近，穿过狭缝的光会在光栅位置产生衍射反应，但是穿过光栅缝的所有光线又会相互干涉[2]，因此，本实验凭借光与光栅构成明显的干涉条纹，而条纹会于焦平面背景之上构成谱线，如图1所示。

所以，光栅方程可以整理为：

式中：k代表谱线次级，λ代表入射光波长，d代表光栅常数，Φ代表光进入光栅后产生的衍射角。当Φ=0时，可以获得零级谱线，会在C面产生位于中央位置的主极大条纹，而主极大条纹的上下两侧会拥有对称分布的略低级次条纹，即其他级谱线。在明确光栅常数d后，通过分光计测量衍射角，可以计算出明条纹相对单色光的波长。

根据光栅方程式（1），主要分析进入光栅的光为单色光这种情况，将入射光更替成复色光，内衍射角Φ则会因光波波长存在差异发生相应改变。在k与Φ都为零时，所有波长的光会聚在一起，构成零级谱线，即上文提到的位于中央位置的明条纹。明条纹的上下存在各级谱线，保持对称分布，可以记录k=1，2，3，…。在衍射角的影响下，谱线也会逐渐增大，进而获得完整的光栅光谱。在本实验中，应用汞灯作为复色光源，理论上拥有8条特征谱线，但是实际接收到的只有4条谱线。为了计算光波波长λ，可以从光栅常量d入手，通过计算获得衍射角Φ数据[3]。

和衍射角有关联性的角色散D：

式中：d代表光栅常数。

在获得衍射角与角色散后，对正入射光栅衍射可以展开进一步研究与讨论。

2.2数据分析

以本实验提到的汞灯作为研究对象，对光谱内所有谱线进行科学测量，利用已经通过测量获得的光栅常量d以及衍射角Φ计算光波波长。例如紫色水银灯，当Φ为15.15°时，波长为433.94nm，而标准值为435.83nm，两者没有明显差异。可以将相关数据整理为表1。

针对光栅特点完成数值测量，并根据式（2）进行计算，结果如表2所示。

光栅的角色散率的理论值可以简述为：

通过实验获得的计算值是6.34×10rad/nm。以单位为纳米的波长作为横坐标，以单位为度的入射角作为纵坐标，将表2的点进行描绘，制作色散曲线，其图像趋势近似一条直线。其图像规律可以整理成以下内容：当光的波长增加时，分散角的度数会有所增加，但两者并不存在正比例关系，所以在实际应用中，可以让平行光以垂直于光栅的角度进入光栅狭缝，借助光栅完成衍射处理，这样获得的光谱波长和理论误差较小。同时，光栅色散曲线的实际测量值和预期理论值具有较大的重合度，更具有实际应用价值。

2.3实验结论

在设计的光栅衍射实验中，平行光会以与光栅保持垂直的角度入射，根据收集到的实验数据对光栅方程的正确性进行验证，所有波长和标准值拥有较高近似度，误差小于1.00nm。此外，由表1与表2的数据可知，无论是光栅常量还是角色散率，都符合理论值。在实验过程中，如果需要较高的数据精度，可以根据实际条件，选择更高精度的光栅投入实验。从实验操作造成实验误差角度进行分析，需要避免因人为触碰设备造成的数据影响，所以在实际操作中，可以选择对载物台或分光计位置进行锁定，降低人为因素对实验结果的影响。

3提升正入射光栅衍射实验质量的对策

3.1在实验前做好准备

若要在光栅衍射实验中获得高质量数据、减少实验误差，就要在实验前做好准备，从源头上降低实验误差的影响[4]。首先，操作人员需要准确了解实验内容，明确实验难点与要点，为之后的实验做好准备。所以，操作人员除了需要收集该实验的相关信息，还可以根据教材或实验手册进行预习，并利用网络技术整理网上内容，对实验方法形成大致了解，做好实验的基础准备工作。指导教师可以在正常理论教学后，增加实验内容描述环节，在操作人员理解实验理论后，着手安排操作人员进行实验操作。通过这种方法达成理论与实践相统一的良好学习模式，提高操作人员对理论知识的理解能力。其次，指导教师也需要在实验前为操作人员提供实验演示，提升后续操作的成功率。对于一些注意事项要预先说明，比如锁定载物台等，避免操作人员在后续实验中因紧张或不熟悉流程，在使用实验器械时失误造成人为损伤;操作人员则要在演示中牢记操作方法，避免在操作中产生严重失误。最后，要将所有操作人员以2～4人为一组，以团队模式共同开展实验，避免因单人操作影响实验进度，产生严重的数据误差。在人员配置上，要以能力强与能力差进行合理划分，让学习能力一般的操作人员也可以在实验中得到充分学习;也可以用这种方法提升团队的契合度，提升整体实验操作能力。

3.2在实验中精准落实

对于本次实验，虽然指导教师可以通过理论知识做好实验前的铺垫工作，也可以通过实验前演示让操作人员进一步完成操作步骤，但是实验的主角仍然是操作人员。所以在实验中，指导教师要牢记自己的任务，即当操作人员的操作步骤、内容有误时提供技术指导，其他时间让操作人员自行摸索。操作人员则要在实验中回忆理论知识与操作演示，做好实验的每个环节，避免出现严重问题。同时，要让所有小组成员参与到实验中，充分发挥集体力量，共同完成实验。既要让能力强的操作人员在实验中对光栅衍射实验有进一步了解，提升个人专业能力，也要让能力略差的操作人员与他人合作，熟悉实验操作方法，让所有参与实验的操作人员实现专业素质的提升[5]。如果在实验中产生较大数据偏差，需立刻查看是否有装置设置错误或者人为因素，进而及时对实验进行调整，获得精准的实验数据。在實验过程中，除小组内成员积极探讨实验方法外，也要和其他小组成员就实验方法展开详细讨论，降低实验误差对数据造成的影响。如果其他小组在实验中出现错误，也可以吸取教训，避免自己小组在操作中出现同样的问题。

3.3在实验后整理内容

如果仅在实验前做好信息收集、在实验中落实实验内容，只能在短期内提升操作人员的专业技术，无法让实验成为一项技能并融入个人发展中[6]。所以在实验结束后，指导教师要督促操作人员在一周或几天内整理实验内容，撰写标准的实验报告。在实验报告中，要将实验原理、操作方法、典型问题等写入其中，并在报告最后做好技术总结，让操作人员反思自己在实验中是否存在问题以及如何解决或优化改进;要通过实验报告说明操作人员在实验中学到了哪些知识、认识到哪些问题等，将光栅衍射实验作为一种工具，成为操作人员的一种技能;要让能力强的操作人员可以从该实验中学到类似的光学实验技巧，在下一次遇到同类型实验时可以更轻易地操作并全面提升自身的专业能力。对于能力略差的操作人员，需要在实验报告中反思自己是否可以做得更好，落实实验内容，奠定实验基础，对以后的学习带来积极影响。指导教师则要根据实验报告反馈，整理易错内容，提升实验指导水平。

4结语

针对正入射光的光栅衍射研究是一种验证类实验，更多的是让操作人员通过学习衍射光栅应用方法，降低后续实践难度。所以，指导教师要在操作人员进行实验时，在合适的时机提供技术指导，逐步引导操作人员培养实验思想，达到提升实验能力的目的。