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实验报告

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实验简介

单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将光

通过三棱镜光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视

窗的光学系统并发现了光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希

和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪—光谱学诞生。由于棱镜

光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获

得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中

得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数

值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。

实验原理

图1光栅单色仪的结构和原理

仪器原理如图1，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，

S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过

光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从

S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。

本仪器光学系统为李特洛式光学系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、

分辨率高。更换光栅方便。光栅单色仪的部件是闪耀光栅，闪耀光栅是以磨

光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系

列锯齿状的槽面形成的光栅（注1：由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使

用的光栅是由该光栅的光栅），它可以将单缝衍射因子的主极大移至多

缝因子的较高级位置上去。因为多缝因子的高级项（零级无色散）是有

色散的，而单缝衍射因子的主极大集中了光的大部分能量，这样做可以大大

提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比

图2

当入射光与光栅面的法线N的方向的夹角为ϕ（见图2）时，光栅的闪耀角

为θb，取一级衍射项时，对于入射角为ϕ，而衍射角为θ时，光栅方程式为：

d(sinϕ＋sinθ)=λ

因此当光栅位于某一个角度时（ϕ、θ一定），波长λ与d成正比。本次实验

所用光栅（2号光栅，每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm—1000nm,

刻划尺寸为64×64mm2）。当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm。

由此可以求出此光栅的闪耀角为21.58°。当光栅在步进电机的带动下旋转时可

以让不同波长以现对最强的光强进入出射狭缝，从而测出该光波的波长和强度值。

（注意计算时角度的符号规定和几何光学方向为闪耀波长的方向）

数据记录与分析：

1.钨灯

波长为λ

光强为I

λIλI

40043580