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专业工程设计说明书

衍射光栅光栅常数测定

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摘要
光栅常数,是光栅两条刻线之间的距离,用d表示,是光栅的重要参数。通常所说的衍射光栅是基于夫琅禾费多缝衍射效应工作的,当用不同波长的光照明光栅时,除零级外,不同波长的第一级主极大对应不同的衍射角,即发生了色散现象。这表明了光栅的分光能力,是光栅分光的原理。描述光栅结构与光的入射角和衍射角之间关系的公式叫“光栅方程”。
光栅是一维的栅状物体,通常测定其光栅常数时,多用分光计测量,但是分光计价格昂贵,并且操作麻烦,不易掌握,因此我们寻求一种更为简便的测定方法,能够测得光栅常数。
本文运用的是在已知光源波长的情况下,通过测得光栅到成像屏幕的距离和光栅0级和第一级主极大之间的距离计算。D定标,通过透镜成像后,能够得到物像体的像素值。D采集的像素值,即可得到真实光栅间距的大小。
关键词:D标定
引言 1
1 实验目的及要求 1
课程设计的目的 1
课程设计的任务 1
课程设计的要求及技术指标 1
2 方案设计和选择 2
利用塔尔博特效应测量光栅常数原理 2
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分光计测光栅常数 3
测量光栅常数光路的选择 4
3 各组成部分光路的实验原理 5
衍射光栅的使用与分光原理 5
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对CCD进行标定原理 6
D的工作原理 6
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图像采集卡 7
4 实际光路及测量步骤 7
对CCD标定的实际光路及测量步骤 7
实际光路图如图 7
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5 数据处理及分析系统中各参数对测量结果的影响 9
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数据计算与误差分析 12
数据的采集 12
数据的计算 13
数据的误差分析 13
各参数对测量结果影响的分析 14
6 结论 14
谢辞 16
参考文献: 17
附录 18
引言
光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成,刻痕为不透光部分,两刻痕之间的光滑部分可以透光,相当于一狭缝。波在传播时,波阵面上的每个点都可以被认为是一个单独的次波源,一个理想的衍射光栅可以认为由一组等间距的无限长无限窄狭缝组成。光栅主要作用是作为分光元件,在光谱测试、光通信系统等领域有广泛的作用。
在本次试验中,采取软硬件相结合的方式,运用光学系统进行试验,D进行采集数据并分析,提高了计算的精度,消除人为计算精度的难题。
1 实验目的及要求
光栅在光学应用中具有相当大的作用,有时光栅的光栅常数不是已知的,需要自己去动手测量。普通方法是使用分光计,由于分光计使用不便,因此需要我们自己设计一种便于测量的简单方法。
课程设计的目的
(1)掌握衍射光栅的使用与分光原理;
(2)D的定标原理与采集图像的数据处理;
(3)培养综合应用所学知识来进行实践的能力;
(4)熟悉常用光学仪器,了解光路调试的基本方法。
课程设计的任务
测量衍射光栅的光栅常数d,使误差在10%以内。
课程设计的要求及技术指标
(1)设计合适的测量方法;
(2)根据测量方法设计光路;
(3)对测量步骤进行设计;
(4)分析与处理数据,对误差进行分析。
2 方案设计和选择
利用塔尔博特效应测量光栅常数原理
塔尔伯特效应是光栅在相干光照明下在自由空间中某些特定的距离Z处自成像的现象。如图2-1:
X
X0
Z
Z
图2-1
相干光照射到一维光栅表面,在距离Z处成的是光栅条纹的像。
以最简单Ronchi(朗奇)光栅为例:
一周期为d的光栅,则其在光栅后成像的光照强度为:
tx=-∞+∞Cn∙exp⁡(i2πndx) ()
到在光栅后的距离为Z平面上的传播因子为:
exp⁡(ikz)exp⁡(-iπzλf2) ()
f是x方向的空间频率。
则在该平面上的复振幅可由傅立叶变换给出:
ux=