正入射光柵衍射現(xiàn)象實(shí)驗探究

白旭峰　楊艷麗　曲保平

關(guān)鍵詞：正入射光;光柵衍射現(xiàn)象;實(shí)驗處理

在一般人的認(rèn)知中，光是以直線傳播的，若在傳播過程中遇到阻擋物，則會以阻擋物外形投射相應(yīng)陰影。根據(jù)這種衍射性質(zhì)，如果光遇到與其波長相似的阻擋物，會在此時觀察到光的衍射。以多縫衍射原理制成的衍射光柵，本質(zhì)上是一種分光元件，是物理實(shí)驗常見的儀器。為了讓更多人靈活應(yīng)用光柵，就要將其放置在類似正入射光的實(shí)際場景中，讓實(shí)驗內(nèi)容更具參考價值。

1研究正入射光柵衍射現(xiàn)象的目的

作為光學(xué)研究的應(yīng)用類元件，光柵可以應(yīng)用在頻譜領(lǐng)域，在分光領(lǐng)域也有較強(qiáng)的適用性，對光柵衍射的研究也可以為工程技術(shù)提供重要數(shù)據(jù)。在物理實(shí)驗中，可以利用分光計測量光波波長，由用于觀察光波的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、調(diào)整觀察光波設(shè)備的平行光管系統(tǒng)、負(fù)責(zé)承載設(shè)備重力的載物平臺組成[1]。如果是在實(shí)驗室條件下，則要對載物平臺先進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證光柵面可以和望遠(yuǎn)鏡光軸保持垂直狀態(tài)，再對載物平臺進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓光柵刻痕可以與狹縫保持平行狀態(tài)，并對載物平臺進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，保證光柵面可以與光管光軸保持垂直。通過對正入射光柵衍射現(xiàn)象的研究，操作人員可以在實(shí)驗中達(dá)到以下目標(biāo)：熟練掌握并靈活應(yīng)用光柵衍射的基本原理;在光以正入射方式進(jìn)入光柵時，觀察光柵衍射現(xiàn)象，并有效分析現(xiàn)象;通過光柵衍射，對鈉光、汞燈譜線一類常見波長值進(jìn)行測定，進(jìn)而研究發(fā)射光譜的基本原理;測量色散曲線或光柵常量等。從這些需求出發(fā)，科學(xué)展開實(shí)驗。

2實(shí)驗操作

2.1基本原理

本實(shí)驗讓光線以預(yù)先設(shè)計的垂直方式進(jìn)入光柵，因為光柵狹縫規(guī)格和光波波長較為接近，穿過狹縫的光會在光柵位置產(chǎn)生衍射反應(yīng)，但是穿過光柵縫的所有光線又會相互干涉[2]，因此，本實(shí)驗憑借光與光柵構(gòu)成明顯的干涉條紋，而條紋會于焦平面背景之上構(gòu)成譜線，如圖1所示。

所以，光柵方程可以整理為：

式中：k代表譜線次級，λ代表入射光波長，d代表光柵常數(shù)，Φ代表光進(jìn)入光柵后產(chǎn)生的衍射角。當(dāng)Φ=0時，可以獲得零級譜線，會在C面產(chǎn)生位于中央位置的主極大條紋，而主極大條紋的上下兩側(cè)會擁有對稱分布的略低級次條紋，即其他級譜線。在明確光柵常數(shù)d后，通過分光計測量衍射角，可以計算出明條紋相對單色光的波長。

根據(jù)光柵方程式（1），主要分析進(jìn)入光柵的光為單色光這種情況，將入射光更替成復(fù)色光，內(nèi)衍射角Φ則會因光波波長存在差異發(fā)生相應(yīng)改變。在k與Φ都為零時，所有波長的光會聚在一起，構(gòu)成零級譜線，即上文提到的位于中央位置的明條紋。明條紋的上下存在各級譜線，保持對稱分布，可以記錄k=1，2，3，…。在衍射角的影響下，譜線也會逐漸增大，進(jìn)而獲得完整的光柵光譜。在本實(shí)驗中，應(yīng)用汞燈作為復(fù)色光源，理論上擁有8條特征譜線，但是實(shí)際接收到的只有4條譜線。為了計算光波波長λ，可以從光柵常量d入手，通過計算獲得衍射角Φ數(shù)據(jù)[3]。

和衍射角有關(guān)聯(lián)性的角色散D：

式中：d代表光柵常數(shù)。

在獲得衍射角與角色散后，對正入射光柵衍射可以展開進(jìn)一步研究與討論。

2.2數(shù)據(jù)分析

以本實(shí)驗提到的汞燈作為研究對象，對光譜內(nèi)所有譜線進(jìn)行科學(xué)測量，利用已經(jīng)通過測量獲得的光柵常量d以及衍射角Φ計算光波波長。例如紫色水銀燈，當(dāng)Φ為15.15°時，波長為433.94nm，而標(biāo)準(zhǔn)值為435.83nm，兩者沒有明顯差異?？梢詫⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)整理為表1。

針對光柵特點(diǎn)完成數(shù)值測量，并根據(jù)式（2）進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

光柵的角色散率的理論值可以簡述為：

通過實(shí)驗獲得的計算值是6.34×10rad/nm。以單位為納米的波長作為橫坐標(biāo)，以單位為度的入射角作為縱坐標(biāo)，將表2的點(diǎn)進(jìn)行描繪，制作色散曲線，其圖像趨勢近似一條直線。其圖像規(guī)律可以整理成以下內(nèi)容：當(dāng)光的波長增加時，分散角的度數(shù)會有所增加，但兩者并不存在正比例關(guān)系，所以在實(shí)際應(yīng)用中，可以讓平行光以垂直于光柵的角度進(jìn)入光柵狹縫，借助光柵完成衍射處理，這樣獲得的光譜波長和理論誤差較小。同時，光柵色散曲線的實(shí)際測量值和預(yù)期理論值具有較大的重合度，更具有實(shí)際應(yīng)用價值。

2.3實(shí)驗結(jié)論

在設(shè)計的光柵衍射實(shí)驗中，平行光會以與光柵保持垂直的角度入射，根據(jù)收集到的實(shí)驗數(shù)據(jù)對光柵方程的正確性進(jìn)行驗證，所有波長和標(biāo)準(zhǔn)值擁有較高近似度，誤差小于1.00nm。此外，由表1與表2的數(shù)據(jù)可知，無論是光柵常量還是角色散率，都符合理論值。在實(shí)驗過程中，如果需要較高的數(shù)據(jù)精度，可以根據(jù)實(shí)際條件，選擇更高精度的光柵投入實(shí)驗。從實(shí)驗操作造成實(shí)驗誤差角度進(jìn)行分析，需要避免因人為觸碰設(shè)備造成的數(shù)據(jù)影響，所以在實(shí)際操作中，可以選擇對載物臺或分光計位置進(jìn)行鎖定，降低人為因素對實(shí)驗結(jié)果的影響。

3提升正入射光柵衍射實(shí)驗質(zhì)量的對策

3.1在實(shí)驗前做好準(zhǔn)備

若要在光柵衍射實(shí)驗中獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)、減少實(shí)驗誤差，就要在實(shí)驗前做好準(zhǔn)備，從源頭上降低實(shí)驗誤差的影響[4]。首先，操作人員需要準(zhǔn)確了解實(shí)驗內(nèi)容，明確實(shí)驗難點(diǎn)與要點(diǎn)，為之后的實(shí)驗做好準(zhǔn)備。所以，操作人員除了需要收集該實(shí)驗的相關(guān)信息，還可以根據(jù)教材或?qū)嶒炇謨赃M(jìn)行預(yù)習(xí)，并利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)整理網(wǎng)上內(nèi)容，對實(shí)驗方法形成大致了解，做好實(shí)驗的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。指導(dǎo)教師可以在正常理論教學(xué)后，增加實(shí)驗內(nèi)容描述環(huán)節(jié)，在操作人員理解實(shí)驗理論后，著手安排操作人員進(jìn)行實(shí)驗操作。通過這種方法達(dá)成理論與實(shí)踐相統(tǒng)一的良好學(xué)習(xí)模式，提高操作人員對理論知識的理解能力。其次，指導(dǎo)教師也需要在實(shí)驗前為操作人員提供實(shí)驗演示，提升后續(xù)操作的成功率。對于一些注意事項要預(yù)先說明，比如鎖定載物臺等，避免操作人員在后續(xù)實(shí)驗中因緊張或不熟悉流程，在使用實(shí)驗器械時失誤造成人為損傷;操作人員則要在演示中牢記操作方法，避免在操作中產(chǎn)生嚴(yán)重失誤。最后，要將所有操作人員以2～4人為一組，以團(tuán)隊模式共同開展實(shí)驗，避免因單人操作影響實(shí)驗進(jìn)度，產(chǎn)生嚴(yán)重的數(shù)據(jù)誤差。在人員配置上，要以能力強(qiáng)與能力差進(jìn)行合理劃分，讓學(xué)習(xí)能力一般的操作人員也可以在實(shí)驗中得到充分學(xué)習(xí);也可以用這種方法提升團(tuán)隊的契合度，提升整體實(shí)驗操作能力。

3.2在實(shí)驗中精準(zhǔn)落實(shí)

對于本次實(shí)驗，雖然指導(dǎo)教師可以通過理論知識做好實(shí)驗前的鋪墊工作，也可以通過實(shí)驗前演示讓操作人員進(jìn)一步完成操作步驟，但是實(shí)驗的主角仍然是操作人員。所以在實(shí)驗中，指導(dǎo)教師要牢記自己的任務(wù)，即當(dāng)操作人員的操作步驟、內(nèi)容有誤時提供技術(shù)指導(dǎo)，其他時間讓操作人員自行摸索。操作人員則要在實(shí)驗中回憶理論知識與操作演示，做好實(shí)驗的每個環(huán)節(jié)，避免出現(xiàn)嚴(yán)重問題。同時，要讓所有小組成員參與到實(shí)驗中，充分發(fā)揮集體力量，共同完成實(shí)驗。既要讓能力強(qiáng)的操作人員在實(shí)驗中對光柵衍射實(shí)驗有進(jìn)一步了解，提升個人專業(yè)能力，也要讓能力略差的操作人員與他人合作，熟悉實(shí)驗操作方法，讓所有參與實(shí)驗的操作人員實(shí)現(xiàn)專業(yè)素質(zhì)的提升[5]。如果在實(shí)驗中產(chǎn)生較大數(shù)據(jù)偏差，需立刻查看是否有裝置設(shè)置錯誤或者人為因素，進(jìn)而及時對實(shí)驗進(jìn)行調(diào)整，獲得精準(zhǔn)的實(shí)驗數(shù)據(jù)。在實(shí)驗過程中，除小組內(nèi)成員積極探討實(shí)驗方法外，也要和其他小組成員就實(shí)驗方法展開詳細(xì)討論，降低實(shí)驗誤差對數(shù)據(jù)造成的影響。如果其他小組在實(shí)驗中出現(xiàn)錯誤，也可以吸取教訓(xùn)，避免自己小組在操作中出現(xiàn)同樣的問題。

3.3在實(shí)驗后整理內(nèi)容

如果僅在實(shí)驗前做好信息收集、在實(shí)驗中落實(shí)實(shí)驗內(nèi)容，只能在短期內(nèi)提升操作人員的專業(yè)技術(shù)，無法讓實(shí)驗成為一項技能并融入個人發(fā)展中[6]。所以在實(shí)驗結(jié)束后，指導(dǎo)教師要督促操作人員在一周或幾天內(nèi)整理實(shí)驗內(nèi)容，撰寫標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗報告。在實(shí)驗報告中，要將實(shí)驗原理、操作方法、典型問題等寫入其中，并在報告最后做好技術(shù)總結(jié)，讓操作人員反思自己在實(shí)驗中是否存在問題以及如何解決或優(yōu)化改進(jìn);要通過實(shí)驗報告說明操作人員在實(shí)驗中學(xué)到了哪些知識、認(rèn)識到哪些問題等，將光柵衍射實(shí)驗作為一種工具，成為操作人員的一種技能;要讓能力強(qiáng)的操作人員可以從該實(shí)驗中學(xué)到類似的光學(xué)實(shí)驗技巧，在下一次遇到同類型實(shí)驗時可以更輕易地操作并全面提升自身的專業(yè)能力。對于能力略差的操作人員，需要在實(shí)驗報告中反思自己是否可以做得更好，落實(shí)實(shí)驗內(nèi)容，奠定實(shí)驗基礎(chǔ)，對以后的學(xué)習(xí)帶來積極影響。指導(dǎo)教師則要根據(jù)實(shí)驗報告反饋，整理易錯內(nèi)容，提升實(shí)驗指導(dǎo)水平。

4結(jié)語

針對正入射光的光柵衍射研究是一種驗證類實(shí)驗，更多的是讓操作人員通過學(xué)習(xí)衍射光柵應(yīng)用方法，降低后續(xù)實(shí)踐難度。所以，指導(dǎo)教師要在操作人員進(jìn)行實(shí)驗時，在合適的時機(jī)提供技術(shù)指導(dǎo)，逐步引導(dǎo)操作人員培養(yǎng)實(shí)驗思想，達(dá)到提升實(shí)驗?zāi)芰Φ哪康摹?/p>