‌光栅衍射实验讲解稿‌

‌实验目的‌ 通过激光笔与衍射光栅的干涉现象观测，验证光的波动特性，掌握光栅衍射的基本规律及其应用。

‌一、实验器材‌ 半导体激光器（波长650 nm，输出功率<5 mW） 透射式衍射光栅（300线/mm、600线/mm各一片） 光学导轨与支架系统 白色投影屏（分辨率板） 数显游标卡尺（精度0.02 mm） 激光功率计（可选） ‌二、实验装置搭建‌ ‌光路校准‌

将激光器固定于光学导轨一端，开启激光并调整光束水平。 在光路中插入300线/mm衍射光栅，调节光栅取向，使入射光与光栅平面垂直（通过观察零级光斑对称性验证）。 在光栅后方1.50 m处放置投影屏，固定位置并标记基准线。 ‌环境控制‌

关闭室内照明，降低环境光干扰。 使用遮光罩减少杂散光影响。 ‌三、实验现象观测‌ ‌基础衍射图样‌

观察投影屏上明暗相间的衍射条纹： 零级主极大（光强最大值） 对称分布的一级、二级次极大 相邻亮纹间等间距特性 定量记录： 测量零级至一级亮纹间距Δy（三次测量取平均） 改变光栅-屏幕距离L，验证Δy与L的正比关系 ‌光栅参数对比实验‌

更换600线/mm光栅片，保持L不变： 观测条纹间距缩小至原值的1/2 对比两光栅的色散能力差异 ‌四、理论原理分析‌ ‌波动光学基础‌

光栅作为周期性结构，引发入射光波的振幅分割与多光束干涉。 相邻狭缝出射光波的相位差满足相干条件时，产生干涉相长： � sin ⁡ �

� � ( �

0 , ± 1 , ± 2... ) dsinθ=kλ(k=0,±1,±2...) 其中d为光栅常数，θ为衍射角，λ为入射光波长。 ‌近似条件下的定量关系‌

当θ较小时（满足傍轴近似），推导得： Δ �

� � � Δy= d λL ​

此式表明： 条纹间距与波长、光栅距成正比 与光栅常数成反比 ‌现象解释‌

高线密度光栅（d较小）导致Δy减小，与实验观测一致 次级亮纹强度递减源于部分相干光的相消干涉 ‌五、数据处理与误差讨论‌ ‌波长计算范例‌

取300线/mm光栅（d=3.333 μm），L=1.50 m，Δy=5.20 cm： �

� Δ � �

3.333 × 1 0 − 6   m × 0.052   m 1.50   m ≈ 652   nm λ= L dΔy ​

1.50m 3.333×10 −6 m×0.052m ​ ≈652nm 与标称值650 nm的相对误差0.3%，证明公式有效性 ‌主要误差来源‌

系统误差：光栅刻线密度标称偏差、激光束发散角影响 随机误差：Δy测量时的视差、光栅面与光束非严格垂直 环境误差：空气扰动导致光路偏移 ‌六、拓展应用探究‌ ‌光谱分析技术‌

通过测量未知光源的Δy，反推其波长成分 演示：使用白光LED观察连续光谱展宽 ‌晶体结构研究‌

X射线衍射与光栅衍射的原理类比 布拉格方程与光栅方程的对应关系 ‌现代光学器件‌

光纤布拉格光栅在通信领域的应用 衍射光学元件（DOE）的波前调控原理 ‌七、实验报告要求‌ 记录原始数据表格（含测量不确定度评估） 完成两种光栅的波长计算与误差分析 讨论以下问题： 若激光波长改为532 nm，预测Δy的变化趋势 解释为何无法观测到三级以上衍射条纹 设计利用该装置测量透明薄膜厚度的方案 ‌八、安全规范‌ 激光操作必须佩戴专用护目镜 禁止将激光束对准人体或反光物体 光栅光学面需用镜头纸清洁，避免刮擦 ‌实验意义‌ 本实验直观验证了光的波动学说，建立了微观周期结构与宏观干涉现象的物理联系，为理解现代光学技术奠定基础。通过精确测量与误差分析，培养科学实验的核心素养。

（全文约1200字，实验操作与讲解时长建议30分钟）