什么是光栅衍射实验 (什么是光栅衍射中的缺级现象)

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• 什么是光栅衍射实验？
• 单反镜头上的数字是什么意思?怎么才能看得懂镜头上的数字和文字？
• 光栅衍射是什么意思？

什么是光栅衍射实验？

实验名称：光栅衍射实验目的：1.进一步掌握调节和使用分光计的方法。

2.加深对分光计原理的理解。

3.用透射光栅测定光栅常数。

实验仪器：分光镜，平面透射光栅，低压汞灯（连镇流器）实验原理: 光栅是由一组数目很多的相互平行、等宽、等间距的狭缝(或刻痕)构成的,是单缝的组合体,其示意图如图1所示。

原制光栅是用金刚石刻刀在精制的平面光学玻璃上平行刻划而成。

光栅上的刻痕起着不透光的作用,两刻痕之间相当于透光狭缝。

原制光栅价格昂贵,常用的是复制光栅和全息光栅。

图1中的 为刻痕的宽度, 为狭缝间宽度, 为相邻两狭缝上相应两点之间的距离,称为光栅常数。

它是光栅基本常数之一。

光栅常数 的倒数 为光栅密度,即光栅的单位长度上的条纹数,如某光栅密度为1000条/毫米,即每毫米上刻有1000条刻痕。

图1光栅片示意图 图2光线斜入射时衍射光路 图3光栅衍射光谱示意图 图4载物台 当一束平行单色光垂直照射到光栅平面时，根据夫琅和费衍射理论，在各狭缝处将发生衍射，所有衍射之间又发生干涉，而这种干涉条纹是定域在无穷远处，为此在光栅后要加一个会聚透镜，在用分光计观察光栅衍射条纹时，望远镜的物镜起着会聚透镜的作用,相邻两缝对应的光程差为 （1） 出现明纹时需满足条件 （2） （2）式称为光栅方程，其中： 为单色光波长；k为明纹级数。

由（2）式光栅方程，若波长已知，并能测出波长谱线对应的衍射角 ，则可以求出光栅常数d 。

在 =0的方向上可观察到中央极强，称为零级谱线，其它谱线，则对称地分布在零级谱线的两侧，如图3所示。

如果光源中包含几种不同波长，则同一级谱线中对不同的波长有不同的衍射角，从而在不同的位置上形成谱线，称为光栅谱线。

对于低压汞灯，它的每一级光谱中有4条谱线：紫色 1=435.8nm;绿色 2=546.1nm;黄色两条 3=577.0nm和 4=579.1nm。

衍射光栅的基本特性可用分辨本领和色散率来表征。

角色散率D（简称色散率）是两条谱线偏向角之差Δ 两者波长之差Δ 之比： （3） 对光栅方程微分可有 （4） 由（4）式可知，光栅光谱具有如下特点：光栅常数d越小，色散率越大；高级数的光谱比低级数的光谱有较大的色散率；衍射角很小时，色散率D可看成常数，此时，Δ 与Δ 成正比，故光栅光谱称为匀排光谱。

实验内容与步骤: 1．分光计的调整： 调整分光计就是要达到望远镜聚焦于无穷远处；望远镜和平行光管的中心光轴一定要与分光计的中心轴相互垂直，平行光管射出的光是平行光。

（1）调望远镜聚焦于无穷远处 目测粗调：由于望远镜的视场角较小，开始一般看不到反射象。

因此，先用目视法进行粗调，使望远镜光轴、平台大致垂直于分光计的转轴。

然后打开小灯的电源，放上双面镜（为了调节方便，应将双面镜放置在平台上任意两个调节螺丝的中垂线上，且镜面与平台面基本垂直），转动平台，使从双面镜正、反两面的反射象都能在望远镜中看到。

若十字象偏上或偏下，适当调节望远镜的倾斜度和平台的底部螺丝，使两次反射象都能进入望远镜中。

用自准直法调节望远镜：经目测粗调，可以在望远镜中找到反射的十字象。

然后通过调节望远镜的物镜和分划板间的距离，使十字象清晰，并且没有视差（当左右移动眼睛时，十字象与分划板上的叉丝无相对移动），说明望远镜已经聚焦到无穷远处，既平行光聚焦于分划板的平面上。

（2）调望远镜光轴垂直于仪器转轴 利用自准法可以分别观察到两个亮十字的反射象。

如果望远镜光轴与分光计的中心轴相垂直，而平面镜反射面又与中心轴平行，则转动载物平台时，从望远镜中可以两次观察到由平面镜前后两个面反射回来的亮十字象与分划板准线上部十字线完全重和。

如果不重合，而是一个偏低，一个偏高，可以通过半调整法来解决，即先调节望远镜的高低，使亮十字象与分划板准线上部十字线的距离为原来的一半，再调节载物平台下的水平调节螺丝，消除另一半距离，使亮十字象与分划板准线上部十字线完全重和。

将载物平台旋转180度，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样的方法调节，如此反复调整，直至从平面镜两表面反射回来的亮十字象与分划板准线上部十字线完全重和为止。

（3）调节平行光管产生平行光 用已调好的望远镜作为基准，正对平行光管观察，并调节平行光管狭缝与透镜的距离，使望远镜中能看到清晰的狭缝象，且象与叉丝无视差。

这时平行光管发出的光既为平行光，然后调节平行光管的斜度螺丝，使狭缝居中，上下对称，即平行光管光轴与望远镜光轴重合，都垂直于仪器转轴。

2．调节光栅方位及测量： （1）分光计调节好后可将光栅按双面镜的位置放好，适当调节使从光栅面反射回来的亮十字象与分划板准线上部十字线完全重和。

（2）从中央条纹（即零级谱线）左侧起沿一个方向向左移动望远镜，使望远镜中的叉丝依次与第一级衍射光谱中的绿线相重合，记下对应位置的读数，再移动望远镜，越过中央条纹，依次记录右侧第一级衍射光谱中的绿线位置对应的读数。

为了减少误差，再从右侧开始，重测一次。

【数据记录与处理】表1 测量光栅常数绿光波长： =546.1nm 测量次数 1 2 3绿光位置 θ左 θ右 θ左 θ右 θ左 θ右 K = 1 328º45’ 148º50’ 327º39’ 147º45’ 318º46’ 138º53’K = -1 310º0’ 130º5’ 309º0’ 129º2’ 300º10’ 120º15’18º45’ 18º45’ 18º39’ 18º43’ 18º36’ 18º38’18º45’ 18º41’ 18º37’3.93’ 绿光波长λ=0.546.1微米1.707微米0.038微米1.707±0.038微米 T(0.95)=1.6453.80’18º41’＝思考题： 1.怎样调整分光计？调整时应注意的事项？答：⑴先目测粗调，使望远镜和平行光管大致垂直与中心轴；另外再调载物台使之大致呈水平状态。

（2）点亮照明小灯，调节并看清准线和带有绿色小十字窗口。

（3）调节并使载物台上的准直镜正反两面都进入望远镜，并且成清晰的像。

（4）采取逐步逼近各半调节法使从准直镜上发射所成的十字叉丝像与准直线重合。

（5）目测使平行光管光轴与望远镜光轴重合，打开狭缝并在望远镜中成清晰的大约1mm宽的狭缝像。

（6）使狭缝像分别水平或垂直并调节使狭缝像中心与十字叉丝中点想重合。

调节过程中要注意已经调节好的要固定好，以免带入新的误差，另外注意逐步逼近各半调节法的使用。

2.光栅方程和色散率的表达式中各量的物理意义及适用条件?答：（1）在光栅方程 中λ为实验中所测光的波长，如本实验中绿光的波长。

K为衍射光谱级数φ为衍射角，d为光栅常数即光栅相临两刻蚊间长度。

实用条件取决与级数的选取应与实验相一致。

（2）色散率的表达式 中相应量与光栅方程中具有相同含义。

3.当平行光管的狭缝很宽时，对测量有什么影响?答：造成测量误差偏大，降低实验准确度。

不过，可采取分别测狭缝两边后求两者平均以降低误差。

4.若在望远镜中观察到的谱线是倾斜的，则应如何调整?答：证明狭缝没有调与准线重合有一定的倾斜，拿开光栅调节狭缝与准线重合。

5.为何作自准调节时,要以视场中的上十字叉丝为准，而调节平行光管时，却要以中间的大十字叉丝为准?答：因为在自准调节时照明小灯在大十字叉丝下面，另外要保证准直镜与望远镜垂直，就必须保证其在大十字叉丝上面，并且距离为灯与大十字叉丝相同的地方，即以视场中的上十字叉丝为准。

现在，很容易就知道为什么在调节平行光管时，却要以中间的大十字叉丝为准了。

6.光栅光谱与棱镜光谱相比有什么特点?答：棱镜光谱为连续的七色光谱，并且光谱经过棱镜衍射后在两边仅仅分别出现一处；光栅光谱则不同，它为不连续的并且多处在平行光管轴两边出现，另外还可以条件狭缝的宽度以保证实验的精确度

单反镜头上的数字是什么意思?怎么才能看得懂镜头上的数字和文字？

佳能（Canon）镜头标识的含义：佳能镜头按字母顺序排序AFD：Arc-Form Drive 弧形马达为早期EF镜头的AF驱动而开发的弧形直流马达。

与USM马达不同，AFD马达对焦是有声的。

DO：Multi- Layer Diffractive Optical Element 多层衍射光学元件Canon于2000年9月4日宣布研制成功世界上第一片用于照相机摄影镜头中的“多层衍射光学元件”。

多层衍射光学镜片同时具有萤石和非球面镜片的特性，所以该镜片的推出，是光学工业的一个里程碑。

衍射光学元件最重要的特性是波长合成结像的位置与折射光学元件的位置是反向的。

在同一个光学系统中，将一片MLDOE与一片折射光学元件组合在一起，就能比萤石元件更有效地校正色散（色彩扩散）。

而且，通过调整衍射光栅的节距（间隙），衍射光学元件可以具有与研磨及抛光的非球面镜片同样的光学特性，有效地校正球面以及其他像差。

代表镜头：EF 400/4 DO IS USMEF: Electronic Focus 电子对焦佳能EOS相机的卡口名称，也是EOS原厂镜头的系列名称。

EMD：Electronic-Magnetic Diaphragm电磁光圈所有EF镜头的电磁驱动光圈控制元件，是变形步进马达和光圈叶片的一体化组件，用数字信号控制，灵敏度和精确度都很高。

FL：Fluorite 莹石一种氟化钙晶体，具有极低的色散，其控制色差的能力比UD镜片还要好。

从严格的意义上来说，莹石不是玻璃，而是一种晶体。

它的折射率很低（1.4）而且不受潮湿影响。

莹石镜片一般不会暴露在外，所以你不大会直接接触到。

莹石镜片不如普通玻璃耐冲击，但也不像想象中的那么易碎，所以在使用中并不需要特殊的照顾。

FTM：Full-time Manual Focusing 全时手动对焦即无论什么时候，即使是镜头正在自动对焦时，都能用手动调节对焦，不会损坏镜头。

L: Luxury 豪华佳能专业镜头的标志。

和消费级镜头相比，L头带有研磨非球面镜片、UD（低色散）、SUD（超低色散）或者Fluorite（萤石）镜片，这些是镜头出色的光学质量的重要基础。

通常镜头的构造质量也要优秀很多。

其标志为镜头前端的红色标线，是佳能的高档专业镜头。

代表镜头：EF70-200/2.8 LUIS：Image Stabilizer 影像稳定器影像稳定器是通过修正光学部件的运动减小手颤动对成像的影响，所以也称防手震镜头。

在IS镜头中，装有一个陀螺传感器，它能检测手的振动并把它转化为电信号，这个信号经过镜头内置的计算机处理，控制一组修正光学部件作与胶片平面平行的移动，抵消手颤动引起的成像光线偏移。

这个系统能够有效地改善手持拍摄的效果，对一般情况而言，IS镜头允许您使用比理论上低两级的快门速度。

也就是说，您用普通300毫米镜头时，只能选择1/250秒以上的速度，而使用300毫米IS镜头就可以用1/60秒拍出清晰的照片。

代表镜头：EF28-135/3.5-5.6 U ISMM：Micro-Motor 微型马达这是传统的带传动轴的马达。

比较费电。

不支持全时手动(FTM)。

多用于廉价的低档次镜头。

SF：Soft Focus 柔焦镜头用这种镜头拍摄出来的照片与相机移动或调焦不实的效果大不相同，它利用刻意设计的球面像差，而使被摄景物既焦点清晰又柔和漂亮。

柔焦的效果视光圈大小及专门的调节装置而有强弱之分。

代表镜头：EF135/2.8SFS-UD：Super Ultra-low Dispersion 高性能超低色散镜片一片S-UD大体与用一片萤石镜片的效果相近。

TS：Tilt Shift 移轴镜头移动镜头光轴调整透视的镜头。

移轴镜头的作用，除了纠正透视变形，还能调整焦平面位置。

正常情况下，相机焦平面与胶片平面平行，用大光圈拍摄，焦平面的景物清晰，焦外模糊；若用移轴镜头调整焦平面，能改变清晰点。

显然，移轴镜头最合适建筑、风景和商业摄影。

EF移轴镜头不设AF功能。

佳能的TS镜头目前有TS-E24/3.5L、TS-E45/2.8和TS-E90/2.8三款: Ultra-low Dispersion 超低色散镜片一种特殊类型的光学玻璃，由于能够控制光谱中光线的色散现象，被广泛用于镜头的色差控制。

两片UD一起用大体与用一片萤石镜片的效果相近。

USM/U：Ultrasonic Motor 超声波马达大部分EF镜头使用的对焦马达类型，利用频率在超声波区域的振动源转动的马达，是实现宁静、高速AF的主要部件。

EF镜头的超声波马达有两种，环形超声波马达（Ring-USM）、微型超声波马达（Micro-USM）。

采用超声波马达的镜头在前端有一黄色环，标记着”ULTRASONIC”。

环形超声波马达是佳能中高级USM镜头使用的对焦马达，其驱动组件是环形的，在驱动时不需要使用任何齿轮之类的传动件。

因扭矩很大，所以启动和制动的速度比一般的对焦马达快很多。

全时手动只能在环形超声波马达头中实现，要注意如EF 200/1.8L、EF 500/4.5L和EF 600/4L、EF 50/1.0L、EF 85/1.2L等不能实现全时手动。

微型超声波马达是一种小型圆柱状超声波马达，在速度和安静程度上不如环形超声波马达，而且不能全时手动对焦，但因其较低的制造成本，所以较多用在中低档的EF镜头上。

代表镜头：EF24-85/3.5-4.5U尼康也有全画幅镜头与非全画幅镜头两大类，它们之间型号上的差别就是：非全画幅镜头带有“DX”标识①AF-S：型号开头的一组字母代表镜头的对焦方式，曾经出现过“Ai”（手动对焦）、“Ai AF”（自动对焦）、“Ai AF-S”（超声波马达自动对焦）、“AF-S”（超声波马达自动对焦）还有“PC”（移轴、手动对焦）、“PC-E”（移轴、手动对焦）等几种，相当复杂。

不过现在只要记着AF与AF-S即可，前者没有镜头超声波对焦马达，后者则有，可以在D40、D60、D5000等没有机身对焦马达的单反上实现自动对焦。

②NIKKOR（尼克尔）：尼康镜头的统称，所以平时我们可能会听到“尼克尔镜头”这样的说法。

在我们辨识镜头的时候，这个NIKKOR没有多少意义，可以忽略。

③70-200mm（18-200mm）：这是镜头的焦距，有范围的（例如70-200mm）代表这是一只变焦镜头，没有范围、只有一个定值（例如50mm）代表这是一只定焦镜头。

④f/2.8（f/3.5-5.6）：这是代表这只镜头在不同焦段的最大光圈值。

如果变焦镜头的最大光圈值是一个定值（例如f/2.8）代表这是一只恒定光圈镜头，在镜头的广角端和长焦端都能保持一定的最大光圈；如果变焦镜头的最大光圈值是一个范围值（例如f/3.5-5.6），前面一个数值代表该镜头在广角端的最大光圈，后面一个数值代表该镜头在长焦端的最大光圈。

如果是定焦镜头，最大光圈是一个定值（特殊镜头除外）。

⑤G：现在的尼康镜头，主要有D型和G型两种。

面世较早的D型，代表Distance（距离），是尼康特有的功能，能将镜头对焦距离信息传到机身，实现更精确的曝光控制、3D-RGB矩阵测光、i-TTL闪光等特性。

而G型，就是镜头取消了光圈调节环的新型镜头，在保持D型镜头传递距离信息的基础上，优化了与自动单反的拍摄操作。

但由于不能在镜头上调节光圈，G型镜头在一些尼康全手动单反上，或者是通过转接环装到其他品牌的单反上，就只能用最大光圈拍摄。

⑥ED（超低色散）镜片：Extra-low Dispersion的简称，一般光学玻璃制成的镜片都存在一定的色散现象，焦距越长色散越明显。

而尼康研制的超低色散玻璃则可以有效减少色散现象。

除了ED镜片，尼康还有Super ED镜片，提供更好的色散消除效果。

（ED镜片对应佳能的UD镜片）⑦VR（光学防抖）：Vibration Reduction的简称，与佳能的IS类似，都是通过镜头内的传感器检测镜头的抖动，然后以相反方向驱动光学组件，补偿抖动带来的图像模糊。

最新的第二代VR最高可达到降低四级安全快门的效果。

⑧II：代表相同规格镜头的第二代（优化改进版之类）。

⑨DX：尼康非全画幅数码单反格式的名称，与之对应的尼康全画幅数码单反格式是FX。

带有DX标识的尼康镜头即为非全画幅专用的小像场镜头，但与佳能不同的是，尼康的DX镜头也可以安装并使用在FX全画幅数码单反上，只是拍摄的画面四周会出现一个黑色的圈（FX全画幅单反带有DX模式，自动裁切画面中间不受成像圈影响的部分）。

尼康镜头特性标识例子除了上述的几个型号标识，尼康镜头还有很多特性标识，如上图例子所示，灰色的就是这只镜头不具备的特性，现在我们来分析一下（前面已经解释过的部分，下面就不再进行解释了）。

1、AS：Aspherical Lens的简称，即非球面镜片。

由于传统的球面镜片在光学上不可避免的存在一定的视觉缺陷（球面像差――正负镜度数越高，棱镜效果越明显。

即：光线向基底折射，物体向顶端位移）。

为此现代镜片在设计中不断的革新，创造了新型的非球面设计。

非球面镜片的曲面不在是一个同一的曲率，即不在是一个球面。

可以使镜片更薄，减少边缘像差。

2、SC：Nikon Super Integrated Coating的简称，即尼康超级综合镀膜。

从传统多层镀膜的基础上发展而来，可以在宽波长范围内实现高透光率的特性，减少眩光、鬼影的情况。

3、IF：Internal Focusing的简称，即内对焦。

通过移动镜头中间组的镜片实现对焦的效果。

由于需要移动的镜片较少、较轻，所以可以减低对焦马达的要求，实现更快速的对焦效果。

4、RF：Rear Focusing的简称，即后组对焦。

特性与IF类似，常用于短焦距镜头。

5、CC：Close-Range Correction System的简称，也简称做CRC，即近距离（对焦）矫正系统，也就是俗称的独立浮动式光学镜组，其作用是提高近距离对焦时的焦点稳定性和画面明锐度。

6、SWM：Silent Wave Motor的简称，即尼康版的“超声波对焦马达”。

与佳能USM一样，都是通过利用声波驱动对焦。

尼康带有SWM的镜头，都是在镜头型号开头标明“AF-S”的，大家可要看清楚了。

7、M/A：MF/AF的简称，即尼康版的“全时手动对焦”。

在不切换对焦模式的情况下，可以实现手动对焦与自动对焦的无缝切换。

M/A模式下以MF手动对焦为优先。

8、A/M：AF/MF的简称，与上面的M/A类似，只是这一模式下，以AF自动对焦为优先。

9、A-M：AF-MF的简称，与A/M不同，A-M是指AF与MF是要通过开关切换的。

10、RD：Rounded Diaphragm的简称，即圆形光圈。

光圈叶片构成的形状接近正圆形，能让镜头焦外成像更圆滑，虚化更漂亮。

11、N：Nano Crystal Coat的简称，即纳米结晶镀膜。

纳米结晶涂层是一种抗反射涂层，最早用于NSR系列（尼康分步重复系统）半导体制造设备。

Nano Crystal Coat在实际上消除了各种波长的内部镜片反射，并且非常有效地降低了超广角镜头特有的图像鬼影和眩光。

Nano Crystal Coat使用了多层尼康超低折射率涂层，这种涂层具有纳米级的超精细结晶颗粒。

12、DC：Defocus-image Control的简称，即焦外影像控制。

通过一组特殊镜片，在相同光圈下控制前后景深的虚化效果。

13、ML：Meniscus Protective Lens的简称，即球面保护镜片。

大型长焦镜头前方第一片镜片，其实是用来保护镜头的，一般为平板玻璃镜片，但是遇到强烈逆光照射时，会在镜头内部产生明显反射，形成鬼影情况。

球面保护镜片通过特定的曲率制造，可以在上述情况下有效减少镜头内部反射。

光栅衍射是什么意思？

当波长为λ的平行光束垂直投影到光栅平面上时，光波将在每个狭缝处衍射，而穿过所有狭缝的光波将相互干涉。

衍射光形成的干涉条纹在无穷远处局部化，如果在光栅后面放置会聚透镜，则所有方向的衍射光通过会聚透镜后将集中在其焦平面上。

获得的衍射光的干涉条纹基于光栅衍射理论。

明亮条纹在光谱中的位置由以下公式确定：（k=1，2，3，…）（1）或上述公式称为光栅方程，其中两个相邻狭缝之间的距离称为光栅常数∧是入射光的波长，k是明亮条纹的阶数，是k阶亮条纹的衍射角，衍射角方向的光干涉增强，其他方向的光干涉消除。

当入射平行光在平面垂直时不与光栅相互作用时，光栅方程应写成（k=1，2，3，…）（2），其中i是入射光与光栅平面法线之间的角度，因此在实验中，必须确保入射光垂直进入。

如果入射光不是单色光，而是包含几种不同波长的光。

从方程（1）可以看出，对于其他相同阶谱线，在中心亮条纹（k=0，=0）处，除零阶条纹外，每个单色光的中心亮条纹彼此重叠，由于每个单色光的波长λ不同，单色光的衍射角不同，因此入射的多色光将分解为单色光，如图1所示。