潘杨昊机电
郑小秋
11223016机电11112012.09.17
全息光栅的制作
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、误差分析并做实验小结。
实验提示：
1 、了解光栅和全息的基本知识。
2 、所提出的制作方法中应包含马赫-曾德干涉法。
3 、熟悉实验室环境、光学元件和实验步骤，试摆光路，进行调解，并达到可以拍摄光栅的水平。
思考问题：
1、什么是光栅常数和光栅方程？
2、怎样根据所要求的光栅常数设计光路？
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）。
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：
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。 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，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
实际图：
此图参照老师所给实验内容报告上的图来画 图6
原始数据表：
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、 实验总结
上学期是大学第一次接触大物实验，以前的实验，都是了解了书上介绍的实验原理后，填写实验预习报告，严格按照书上的详细步骤来做的，不需要自己去思考和研究太多的东西。这一次准备设计型实验，让我锻炼了好多方面的能力，包括查找资料，思考设计。首先，书上给出的只有简单而概括的指导，所有的东西都要自己去查资料，去想办法解决。连试验究竟是怎么回事都不知道的情况下，要先去网上大概了解实验内容和原理，然后查阅相关文献，具体研究实验方案。
尤其，这次的试验，需要我们自己提供三种以上的不同实验方案，进行细致比较之后选定一种。这就要求我们熟悉和掌握每种方案的原理、具体操作步骤和对应的优点缺点，逐一分析比较之后，在将自己的选定方案展开。这一系列过程要花费大部分时间在图书馆，因为要在浩瀚的文献中找到自己需要的，对于我这个还没上完科技文献检索课的学生来说，真的有点困难。我的报告中，有一部分资料来源于互联网，然而网上的东西又不完全符合我的要求，修修改改，总算弄得差不多了。其实，自己明白了原理，按照自己预先设计好的方案进行实验，在具体操作过程中，问题并不大，可以说，做让人费神的是预习时候的实验报告的书写。现在，实验已经基本做完，感觉收获却是很大。以后，对于设计型实验，也可以更熟练的进行了。
潘杨昊机电
郑小秋
11223016机电11112012.09.17
全息光栅的制作
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、误差分析并做实验小结。
实验提示：
1 、了解光栅和全息的基本知识。
2 、所提出的制作方法中应包含马赫-曾德干涉法。
3 、熟悉实验室环境、光学元件和实验步骤，试摆光路，进行调解，并达到可以拍摄光栅的水平。
思考问题：
1、什么是光栅常数和光栅方程？
2、怎样根据所要求的光栅常数设计光路？
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）。
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：
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。 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，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
实际图：
此图参照老师所给实验内容报告上的图来画 图6
原始数据表：
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、 实验总结
上学期是大学第一次接触大物实验，以前的实验，都是了解了书上介绍的实验原理后，填写实验预习报告，严格按照书上的详细步骤来做的，不需要自己去思考和研究太多的东西。这一次准备设计型实验，让我锻炼了好多方面的能力，包括查找资料，思考设计。首先，书上给出的只有简单而概括的指导，所有的东西都要自己去查资料，去想办法解决。连试验究竟是怎么回事都不知道的情况下，要先去网上大概了解实验内容和原理，然后查阅相关文献，具体研究实验方案。
尤其，这次的试验，需要我们自己提供三种以上的不同实验方案，进行细致比较之后选定一种。这就要求我们熟悉和掌握每种方案的原理、具体操作步骤和对应的优点缺点，逐一分析比较之后，在将自己的选定方案展开。这一系列过程要花费大部分时间在图书馆，因为要在浩瀚的文献中找到自己需要的，对于我这个还没上完科技文献检索课的学生来说，真的有点困难。我的报告中，有一部分资料来源于互联网，然而网上的东西又不完全符合我的要求，修修改改，总算弄得差不多了。其实，自己明白了原理，按照自己预先设计好的方案进行实验，在具体操作过程中，问题并不大，可以说，做让人费神的是预习时候的实验报告的书写。现在，实验已经基本做完，感觉收获却是很大。以后，对于设计型实验，也可以更熟练的进行了。