1、
北京交通大学
大学物理实验
设计性实验
实验题目全息光栅的制作
学院 机电
班级 0910
学号 09222076
姓名 刘犇
首次实验时间2010年11月23日
指导教师签字
一、 实验任务
设计并制作全息光栅，并测出其光栅常数，要求所制作的光栅不少于每毫米100条。
二、 实验要求
1、设计三种以上制作全息光栅的方法，并进行比较。
2、设计制作全息光栅的完整步骤（包括拍摄和冲洗中的参数及注意事项），拍摄出全息光栅.
3、给出所制作的全息光栅的光栅常数值，进行不确定度计算、误差分析并做
2、实验小结。
三、 实验的基本物理原理
1、光栅产生的原理
光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它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。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果（如图1）。
3、 图1
2、测量光栅常数的方法：
用测量显微镜测量；
用分光计，根据光栅方程d·sin =k 来测量；
用衍射法测量。激光通过光栅衍射，在较远的屏上，测出零级和一级衍射光斑的间距△x及屏到光栅的距离L，则光栅常数d= L/△x。
四、 实验的具体方案及比较
1、洛埃镜改进法：
基本物理原理：洛埃镜的特点是一部分直射光和另一部分反射镜的反射光进行干涉，如原始光束是平行光，则可增加一全反镜，同样可做到一部分直射光和一部分镜面反射光进行干涉，从而制作全息光栅。
优点：这种方法省去了制造双缝的步骤。
缺点：光源必须十分靠近平面镜。
实验原理图：
4、
图2
2、杨氏双缝干涉法：
基本物理原理：S1，S2为完全相同的线光源，P是屏幕上任意一点，它与S1，S2连线的中垂线交点S'相距x，与S1，S2相距为rl、r2，双缝间距离为d，双缝到屏幕的距离为L。
因双缝间距d远小于缝到屏的距离L，P点处的光程差：
图3
δ=r2-r1=dsinθ=dtgθ=dx/L sinθ=tgθ
这是因为θ角度很小的时候，可以近似认为相等。
干涉明条纹的位置可由干涉极大条件δ=kλ得：x=(L/d)kλ,
干涉暗条纹位置可由干涉极小条件δ=(k+1/2)λ得：x=(D/d)(k+1/2)λ
明条纹之间、暗
5、条纹之间距都是Δx =λ(D/d)
因此干涉条纹是等距离分布的。
而且注意上面的公式都有波长参数在里面，波长越长，相差越大。
条纹形状：为一组与狭缝平行、等间隔的直线（干涉条纹特点）d= L/△x
优点：使用激光光源相干条件很容易满足。
缺点：所需的实验仪器较复杂，不易得到。
实验原理图：
图4
3、马赫—曾德干涉仪法：
基本物理原理：只要调节光路中的一面分光镜的方位角，就可以改变透射光和反射光的夹角，从而改变干涉条纹的间距。
优点：这种方法对光路的精确度要求不高，实验效果不错，易于学生操作。
缺点：这种方法对光路的精确度要求不高，实验可能不够精确。
6、
实验原理图：
图5
五、 仪器的选择与配套
综合考虑各方面条件，本次试验采用马赫—曾德干涉仪法，所需的实验仪器有He-Ne激光发射器1架、发散镜1面、凸透镜1面、半反半透镜2面、全反镜2面和白屏、光阑各一、拍摄光栅用的干片若干、架子。
六、 实验步骤
（一）制作全息光栅
1.打开He-Ne激光发射器，利用白屏使激光束平行于水平面。
2.调节发散镜和激光发射器的距离使激光发散。
3.调节凸透镜和发散镜的距离使之等于凸透镜的焦距，得到平行光。
4. 调节2面半反半透镜和2面全反镜的位置和高度
7、使它们摆成一个平行四边形（如图5）。
5.调节半反半透镜和全反镜上的微调旋钮，使得到的2个光斑等高，且间距为4-6cm。
6. 测出实验中光路的光程差△l。
（在实验中我们测得的光路的光程差△l=1.5cm）
（二）拍摄全息光栅
1.挡住激光束，把干片放在架子上，让激光束照射在干片上1-2秒，挡住激光束，把干片取下带到暗房中。
2.把干片泡在显影液中适当的时间（时间长度由显影液的浓度决定），取出，用清水冲洗，在泡在定影液中约5分钟。取出，冲洗后晾干。
3.用激光束检验冲洗好的干片，若能看见零级、一级的光斑，说明此干片可以用于测定光栅常数。
（三）测定所制光栅的光栅常数
原始数据表：
x
1
2
3
4
5
6
r（cm）
h（cm）
计算过程：
七、实验注意事项
1、不要正对着激光束观察，以免损坏眼睛。
2、半导体激光器工作电压为直流电压3V，应用专用220V/3V直流电源工作(该电源可避免接通电源瞬间电感效应产生高电压的功能)，以延长半导体激光器的工作寿命。
八、 参考文献
1、 詹卫申、丁建华 物理实验教程
2、章昌奕、马宁生 全息光栅的制作.
3、杨伟斌、滕坚 实验室全息光栅的制作及质量评定[J].物理与工程
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