光波波長測定方法研究

薛任翔

摘 要：光波波長是光波的基本性質，測量光波波長有助于對光波進行更深層次的了解。運用不同種方法探究光波波長，能夠使得光波波長的測量方法趨于多元。在日常生活和科學研究中，應根據不同種情況確定不同種測定光波波長的方法，以達到最佳測量效果。

關鍵詞：光波波長;雙棱鏡;光盤片;分光計;光的衍射

中圖分類號：TB???? 文獻標識碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.092

0 引言

隨著科學的發展進步，光波在科學發展的領域中也越來越具有重要的地位，很多儀器裝備都與光波有關，如光波給食物加熱，遙控等等，而在這些應用中我們需要不同波長的光波，在選擇光波時，波長則是一個重要的參量，因此對光波波長的測量方法在科學領域中也是尤為重要的，因此我們要懂得光波波長的測量方法并加以應用。

1 實驗原理

1.1 雙棱鏡測量光波波長

假如兩列相同頻率的光波并且這兩列光波的相位差不隨時間而發生變化，當沿著相同的方向傳播時，那么在兩列光波相交的地方，光強的分布不均勻，在某些明亮的地方光強表現為加強，在某些較暗的地方光強表現為減弱，發生的這種現象稱為光的干涉。

菲涅耳利用圖1.1所示的裝置進行實驗，觀測到了兩列光束的干涉現象，圖1.1所示的裝置中AB為雙棱鏡，它的外形結構如圖1.2所示，假設兩個虛光源S1和S2之間的距離為d′時，兩個虛光源S1和S2所在的平面到觀察屏P的距離為d，且d′<

λ=dΔx（1）。

1.2 用光盤片測量光波波長

光盤片是由一個個壓制在光盤上的細小坑點儲存的，這些坑點與坑點之間的平面構成了凹凸不平的軌道，光盤以此來儲存信息。而光盤上的坑點同導軌可以充當反射光柵的刻痕，從而使光線發生反射與衍射。如圖1.5所示為光盤片的橫截面。如圖1.6所示，當平行光以入射角θ0照射在光柵常數（光柵兩刻線的間距）為d的反射光柵上時，當衍射光線與入射光線分布在法線兩側時，則由圖1.6可知，衍射角為θ的相鄰衍射光之間的光程差（光程之間的差值，是表明干涉條紋性質的量。光程為光線在通過不同介質后，兩段光線之間的差值）為Δ等于向量Bb與向量Aa的差等于dsinθ0-dsinθ。當入射光與衍射光在法線同側時光程差Δ等于向量Bb與向量Ba的和等于dsinθ0+dsinθ。根據光柵衍射理論可得，反射光柵在極亮位置滿足公式Δ=kλ（λ=0，±1，±2等）。因此，反射光柵方程為d（sinθ0±sinθ）=k（k=0，±1，±2），當入射光與衍射光在法線同側時，等式取正號;入射光與衍射光在法線異側時，等式取負號。

2 實驗內容

2.1 用雙棱鏡測量光波波長

2.1.1 實驗目的

觀察干涉現象;加深理解干涉產生的條件;掌握雙棱鏡來測量光波波長的方法。

2.1.2 實驗器材

單色光源，輔助透鏡，光具座，可調狹縫，雙棱鏡，測物目鏡，白屏。

2.1.3 實驗步驟

（1）將單色光源，匯聚透鏡，狹縫，雙棱鏡和目鏡依次排列在光具座上，并調節它們的高度，使得它們的中心在同一高度上。使雙棱鏡的地面與系統的光軸垂直（如圖1.1）。

（2）點亮光源，使得光線透過狹縫，并由雙棱鏡折射之后將光線打到光屏上，此時可觀察到光波的干涉圖樣，測量干涉條紋的間距及相關數據。

（3）精確測量狹縫至光屏的距離并測量出兩個光源之間的距離。

2.1.4 注意事項

（1）單色光源，匯聚透鏡，狹縫，雙棱鏡和目鏡中心如果不在同一高度，極有可能會造成干涉圖樣不清晰，甚至導致實驗無現象，所以務必要將單色光源，匯聚透鏡，狹縫，雙棱鏡和目鏡的中心保持在同一高度。

（2）狹縫的寬度不可太寬，過寬的狹縫會造成光波的衍射現象不明顯，導致實驗結果不明顯。

（3）外部的光線不要太強，最好在暗室中進行測量，防止外部光線導致的實驗誤差。

（4）測量的工具必須精確，否則將導致實驗數據不精準。

（5）多做幾次重復實驗，減小實驗誤差。

（6）看到清晰的明暗相間的干涉條紋之后，前后移動雙棱鏡或目鏡，使得在觀察屏上得到的干涉條紋的寬度達到合適的值，不改變條紋清晰度，適當的增加狹縫寬度，來確保干涉條紋能夠有更強的亮度。

（7）雙棱鏡的折射率不宜太大，否則影響實驗相關數據的測量。

2.1.5 數據處理

（1）為保證實驗數據精確，可多測量幾條光波干涉的寬度，再除以光波條數。

（2）用最小二乘法估計實驗測量的波動值。

（3）用所測量的數據計算出光波波長。

2.2 用光盤片測量光波波長

2.2.1 實驗目的

學會使用光盤片測量光波波長，觀察使用光盤片測量光波波長所產生的現象。

2.2.2 實驗儀器

光盤片;未知波長的光源;分光計;游標盤;望遠鏡。

2.2.3 實驗步驟

（1）將光盤片作為反射光柵，其光柵常數為軌跡之間的間距。

（2）測量反射，入射角。

（3）調節分光計，將游標盤固定，轉動望遠鏡與刻度盤，測出望遠鏡正對平行光管的角度，再將望遠鏡轉到靠近平行光管的一邊，固定望遠鏡，測出此時的角度，計算入射光與衍射光的夾角。

（4）將光盤片置于載物臺上，沿軌跡方向垂直放置，測量出光柵與望遠鏡垂直時的角度，轉動游標盤改變光柵方向，即可在望遠鏡中出現不同顏色的光譜，測出待測譜線對準望遠鏡叉絲時對應的角度，則衍射角θ=β-β0入射角θ0=a+θ。當入射光與衍射光在光柵法線同側時，衍射角為正值，當入射光與衍射光在光柵法線異側時，衍射角為負值。

3 實驗總結與展望

3.1 雙棱鏡測量鈉光波長實驗總結

（1）該實驗改良了測量光波波長最基本的方法，將雙縫替換為雙棱鏡，但他們二者的功能基本相同，均是要將單束光轉化為相干光源，從而保證實驗的后續進行。并且該實驗在光源后加入一個匯聚透鏡，匯聚了光線，增強了光的強度，使實驗現象更明顯并且對于光源的要求下降，實驗數據更易測量。但雙棱鏡及匯聚透鏡的加入，使得原本單色光源，單縫，雙縫，目鏡和光屏的中心與雙棱鏡，匯聚透鏡的中心更難保持在一條線直線上，導致實驗精確度下降。

（2）匯聚透鏡匯聚的光線必須要正好通過狹縫，且雙棱鏡的位置必須精確。這對于儀器的固定提出了更高要求。

匯聚透鏡和雙棱鏡均為精密光學儀器，極易造成損壞，導致數據不精準。

3.2 光盤片測量光波波長實驗總結

（1）由于光盤片的透明基底比較厚，所以光盤片制成的光柵的角色散比較大，為得到足夠的分辨率，要求狹縫比較細，這又使得光強變弱，不便觀測，可利用透鏡將光源聚焦在狹縫上，以保證有足夠的光強來觀測。

（2）該實驗利用光盤片來代替衍射光柵，取材方便且貼近實際生活，因此極大方便了實驗的進行且實驗成本降低。但光盤片本身并非正規的光學實驗儀器，所以可能實驗誤差較大且發生其它的光學現象，例如容易發生光的色散，導致實驗在測量時難度上升。

（3）光盤片在作為衍射光柵時，其自身的坑點間距并不均等，且坑點的長度也不固定，這就給實驗的進行帶來的難度。這就要求我們在實驗開始前必須要把光盤片的相關數據確定，但光盤片的軌跡間距只有1μm左右?？傊獗P片雖然取材方便，但卻加大了實驗的難度，使實驗需要耗費大量步驟在測量光盤片的相關數據上。

3.3 實驗的調整

利用雙棱鏡測量光波波長主要要求是到光屏的衍射光線必須是像惠更斯原理所述的由點光源所發出的球面波，所以經匯聚透鏡匯聚的激光光束必須正好照射在針孔板上的針孔。由于經匯聚透鏡匯聚的光線太細微，可先在針孔板前墊一張白紙來判斷匯聚光的位置，再調整紙板。如實驗現象不明顯，先檢查看各光學儀器是否在同一平面上，再邊移動紙板邊觀察，看在什么位置上光圈最圓最亮，即以此為最佳位置。而對于用光盤片測量光波波長時，需要增加光強，使用單色光來進行實驗，盡量選取數據明確，坑點均勻的光盤片進行實驗，為了減小誤差，可以多測幾組數據。

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