正入射光柵衍射現象實驗探究

白旭峰　楊艷麗　曲保平

關鍵詞：正入射光;光柵衍射現象;實驗處理

在一般人的認知中，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陰影。根據這種衍射性質，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，本質上是一種分光元件，是物理實驗常見的儀器。為了讓更多人靈活應用光柵，就要將其放置在類似正入射光的實際場景中，讓實驗內容更具參考價值。

1研究正入射光柵衍射現象的目的

作為光學研究的應用類元件，光柵可以應用在頻譜領域，在分光領域也有較強的適用性，對光柵衍射的研究也可以為工程技術提供重要數據。在物理實驗中，可以利用分光計測量光波波長，由用于觀察光波的望遠鏡系統、調整觀察光波設備的平行光管系統、負責承載設備重力的載物平臺組成[1]。如果是在實驗室條件下，則要對載物平臺先進行調節，保證光柵面可以和望遠鏡光軸保持垂直狀態，再對載物平臺進行調節，讓光柵刻痕可以與狹縫保持平行狀態，并對載物平臺進行旋轉，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象的研究，操作人員可以在實驗中達到以下目標：熟練掌握并靈活應用光柵衍射的基本原理;在光以正入射方式進入光柵時，觀察光柵衍射現象，并有效分析現象;通過光柵衍射，對鈉光、汞燈譜線一類常見波長值進行測定，進而研究發射光譜的基本原理;測量色散曲線或光柵常量等。從這些需求出發，科學展開實驗。

2實驗操作

2.1基本原理

本實驗讓光線以預先設計的垂直方式進入光柵，因為光柵狹縫規格和光波波長較為接近，穿過狹縫的光會在光柵位置產生衍射反應，但是穿過光柵縫的所有光線又會相互干涉[2]，因此，本實驗憑借光與光柵構成明顯的干涉條紋，而條紋會于焦平面背景之上構成譜線，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，Φ代表光進入光柵后產生的衍射角。當Φ=0時，可以獲得零級譜線，會在C面產生位于中央位置的主極大條紋，而主極大條紋的上下兩側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。

根據光柵方程式（1），主要分析進入光柵的光為單色光這種情況，將入射光更替成復色光，內衍射角Φ則會因光波波長存在差異發生相應改變。在k與Φ都為零時，所有波長的光會聚在一起，構成零級譜線，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，進而獲得完整的光柵光譜。在本實驗中，應用汞燈作為復色光源，理論上擁有8條特征譜線，但是實際接收到的只有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數據[3]。

和衍射角有關聯性的角色散D：

式中：d代表光柵常數。

在獲得衍射角與角色散后，對正入射光柵衍射可以展開進一步研究與討論。

2.2數據分析

以本實驗提到的汞燈作為研究對象，對光譜內所有譜線進行科學測量，利用已經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Φ為15.15°時，波長為433.94nm，而標準值為435.83nm，兩者沒有明顯差異?？梢詫⑾嚓P數據整理為表1。

針對光柵特點完成數值測量，并根據式（2）進行計算，結果如表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，以單位為度的入射角作為縱坐標，將表2的點進行描繪，制作色散曲線，其圖像趨勢近似一條直線。其圖像規律可以整理成以下內容：當光的波長增加時，分散角的度數會有所增加，但兩者并不存在正比例關系，所以在實際應用中，可以讓平行光以垂直于光柵的角度進入光柵狹縫，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，光柵色散曲線的實際測量值和預期理論值具有較大的重合度，更具有實際應用價值。

2.3實驗結論

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

3提升正入射光柵衍射實驗質量的對策

3.1在實驗前做好準備

若要在光柵衍射實驗中獲得高質量數據、減少實驗誤差，就要在實驗前做好準備，從源頭上降低實驗誤差的影響[4]。首先，操作人員需要準確了解實驗內容，明確實驗難點與要點，為之后的實驗做好準備。所以，操作人員除了需要收集該實驗的相關信息，還可以根據教材或實驗手冊進行預習，并利用網絡技術整理網上內容，對實驗方法形成大致了解，做好實驗的基礎準備工作。指導教師可以在正常理論教學后，增加實驗內容描述環節，在操作人員理解實驗理論后，著手安排操作人員進行實驗操作。通過這種方法達成理論與實踐相統一的良好學習模式，提高操作人員對理論知識的理解能力。其次，指導教師也需要在實驗前為操作人員提供實驗演示，提升后續操作的成功率。對于一些注意事項要預先說明，比如鎖定載物臺等，避免操作人員在后續實驗中因緊張或不熟悉流程，在使用實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，避免在操作中產生嚴重失誤。最后，要將所有操作人員以2～4人為一組，以團隊模式共同開展實驗，避免因單人操作影響實驗進度，產生嚴重的數據誤差。在人員配置上，要以能力強與能力差進行合理劃分，讓學習能力一般的操作人員也可以在實驗中得到充分學習;也可以用這種方法提升團隊的契合度，提升整體實驗操作能力。

3.2在實驗中精準落實

對于本次實驗，雖然指導教師可以通過理論知識做好實驗前的鋪墊工作，也可以通過實驗前演示讓操作人員進一步完成操作步驟，但是實驗的主角仍然是操作人員。所以在實驗中，指導教師要牢記自己的任務，即當操作人員的操作步驟、內容有誤時提供技術指導，其他時間讓操作人員自行摸索。操作人員則要在實驗中回憶理論知識與操作演示，做好實驗的每個環節，避免出現嚴重問題。同時，要讓所有小組成員參與到實驗中，充分發揮集體力量，共同完成實驗。既要讓能力強的操作人員在實驗中對光柵衍射實驗有進一步了解，提升個人專業能力，也要讓能力略差的操作人員與他人合作，熟悉實驗操作方法，讓所有參與實驗的操作人員實現專業素質的提升[5]。如果在實驗中產生較大數據偏差，需立刻查看是否有裝置設置錯誤或者人為因素，進而及時對實驗進行調整，獲得精準的實驗數據。在實驗過程中，除小組內成員積極探討實驗方法外，也要和其他小組成員就實驗方法展開詳細討論，降低實驗誤差對數據造成的影響。如果其他小組在實驗中出現錯誤，也可以吸取教訓，避免自己小組在操作中出現同樣的問題。

3.3在實驗后整理內容

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

4結語

針對正入射光的光柵衍射研究是一種驗證類實驗，更多的是讓操作人員通過學習衍射光柵應用方法，降低后續實踐難度。所以，指導教師要在操作人員進行實驗時，在合適的時機提供技術指導，逐步引導操作人員培養實驗思想，達到提升實驗能力的目的。