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1、用钢尺测量激光器波长1、 引言激光作为一种单色性、方向性极好的相干光源，近年来被广泛的应用到各种科学实验中。但由于激光材料的不同，激光被分为狠多的种类，激光器的特性也不尽相同，比如说其最重要的特性中心波长。我们在使用激光器之前了解其波长是十分必要的，当然在现代的实验室中有各种各样的精密仪器可以方便的测出激光的波长，但是如果我们不依靠实验室里的这些仪器，仅用我们日常生活中一些常用的工具能否测出激光的波长呢？下文我们就介绍了一种方案，结合激光的波动性，仅利用一把我们日常生活中使用的钢尺就能较准确地测出激光的波长。一把普通钢尺在 日常生活中常常用来粗测物体 的长 度 ， 但 是 如 果 有 精妙 的
2、实 验 方 案 ， 利 用小 小 的钢 尺完 全 可 以较 精 确 的 测 量 出激 光 的波长。 这听来似乎完全“ 不可思议” 。 如果能够巧妙的利 用 光 的 波 动性 的话 ， 这 个 奇 迹 完 全 可 以创造 。 而 且 本 试 验所 需 器 材 简单 易 找 ， 完 全 来源 的于 日常生 活 ， 符合 “ 从 生 活 到 物 理 ”的新 课程 理念。 是学生课下作为“ 探究性”实验的极好素材。2、 正文部分1） 实验原理激光是一种方向性和单色性极好的光源， 试验 过程 中首 先将 钢尺 固定 在水 平桌 面上 ， 使 激光的一部 分 照射在 钢尺 的刻 痕上 ， 一 部分 反射
3、到垂直 于桌 面 的墙壁 上 。 这时 通过 微调 激光 的入 射角度 ， 则 会 在 墙 面 上 出现 系 列 亮 点 S。 ， S 。 ， S。 ， S。等 。 这是 因为激光在钢尺两刻痕之间的许多光滑面 上均 发 生 了反射 ， 这些 反射 光线 如果 相位 相 同则 会相 互 叠加而 在 墙面 上形 成 亮 斑 。 原 理 如 图 1所示 。图一由于钢尺上有周期性排列的间隔为1mm的间隔,也就是钢尺的刻度，两刻度之间为表面光滑的钢面，可以较好的反射激光，而刻度由于表面为黑色而且不光滑，所以不能很好的反射激光，这样我们可以将钢尺看成一个反射光栅，而激光又是单色性、相干性非常好的光源，当激
4、光打在钢尺的刻度上反射之后，就能够形成相应的衍射条纹。具体的实验原理如下图所示：图二在图二A处放置一激光发生器，其发出的激光以接近90度的入射角照射在BB上（BB为钢尺上刻度与刻度之间的平滑面能够反射激光），由于BB非常的小，其可以和激光的波长相比较，所以光束在反射的同时又发生衍射，当两束衍射光的相位相同时，则会相互叠加而加强，在光屏上形成亮斑；当两束衍射光相位相反时，则由于相互叠加而减弱，形成暗斑。如图所示激光以跟平面成角入射在光滑平面上，经过反射之后到达光屏，其光程差为：当光程差为零时，这时，在光屏上出现的亮斑为入射光直接反射所得，其亮度也较大，当光程差恰好为波长的整数倍时两束衍射光的相位
5、相同，在P点叠加增强，出现亮斑；而当光程差为半波长的奇数倍时，则在光屏上出现暗斑。在反射亮斑的上方还有许多的亮斑，分别对应着为等。因此由上式可知其中d为钢尺上刻度间的距离，我们默认d为0.8mm。所以只要测出就能计算出激光波长。而根据图一我们不难看出：所以我们只要测出激光入射点到光屏的距离L，以及各个光斑的高度h就能得到，而最亮的光斑是由激光直接反射得到，所以其角与相等。2） 实验步骤1、用透明胶布将钢尺固定在桌子上，钢尺与墙面垂直，有刻度的钢尺面朝上,钢尺大概距离墙面2m左右。2、打开激光发生器，并将激光器放在如图一A处的位置，使激光能够打在钢尺的刻度上，增大入射角度，使入射角处于88度到9
6、0度的范围内，这时我们可以看到激光打在钢尺刻度的范围大大增大，再细调入射角度我们可以在墙上看到一系列的亮斑，固定激光器。3、用卷尺测量激光在钢尺上的入射点到墙面的垂直距离L，由下而上分别测出光斑的高度h0,h1,h2,h3。3） 实验装置精度为1mm的钢尺一把、普通激光发生器一个、卷尺一把、胶带纸若干4） 实验照片5） 测量数据记录d=0.8mmL=2.1010m（4个高度都是相对于桌面而言）6） 数据处理3、 讨论与结果直接从激光器里发出的激光束打在钢尺上反射后形成干涉亮斑的实质其实就是反射光栅模型，钢尺其实就相当于在光洁度比较高的钢板上刻出一系列等间距的平行细槽而形成的。 从实验数据计算结
7、果可以我们可以看出，用钢尺测量激光波长时虽然实验方法较粗糙，随机误差对测量结果的影响也比较大。但通过波长相对误差的比较 ，我们可以发现此方法的误差与传统实验方法的误差大体一致，也就是说用这种看似比较粗略的方法也能够较精确地得到激光器的波长。因此，在科学实验尤其是工程技术现场应用中，使用该方法就可以很简洁的快速得到激光的波长值，或者是作为分光装置使用， 把入射光中不同波长的光分隔开来， 很容易形成光谱，从而可 提高工作效率 ， 缩短使用精密仪器测量的周期 。反过来 ， 如果充当反射光栅 的不是钢尺， 而是其他表面有一系列等间距平行刻痕的物体 ， 利用本实验方法在已知激光波长的情况下 ， 就可以较
8、精确地测最这 间距的长度 ， 从而为确定微小难以用普通工具测量的距离提供了简单易行的方法。在实验的过程中我们也遇到了很多的问题，要成功的做完实验很多地方还是需要我们注意起来，首先激光器的选择，我们应该选择功率较大的激光器，若用工具较小的激光器，由于钢尺的表面不是特别理想的镜面，也就是反射率不是特别的高，这样就会使得经过反射后的激光很难被我们观测和测量，不利于实验的进行，实验中还有一个尤其要引起我们注意的地方是控制激光的入射角度，必须是激光以接近90度的入射角照射在钢尺的刻度上，所谓的接近90度就是88度到90度，当以接近90度的入射角打在钢尺上时，我们可以看到钢尺被激光照射到的面积大大增加，换句话说也就是说有效光栅的面积大大增大了，由我们的光学知识可以知道，多缝衍射的精细度要比单缝衍射高的多，增大激光的入射角就相当于使激光通过了更多的缝，因而产生的光斑更加的锐利，更好地能被我们观测和测量，刚开始做实验的时候我们没有注意到这个问题，调了很久的激光入射角也没有在墙上找到相对应的衍射光斑，后来注意到了这个问题之后增大了入射角，之后就能看到衍射光斑了。在测量微小光学量时，如果我们没有精密的测量工具时，我们可以利用光的干涉和衍射效应间接的测出我们想要得到的量。 （注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
