[發明專利]利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置及基于該裝置觀測并讀取波長的方法

有效

• 申請號: 201510012376.9
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104535181A
• 公開（公告）日: 2015-04-22
• 發明（設計）人: 楊慶鑫;林珊;李俊慶;趙海發
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G01J3/28
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張利明

技術領域

本發明屬于光學領域。

背景技術

目前普遍使用的反射式光柵光譜儀的工作原理是：光源通過入射狹縫，用凹面反射鏡準直形成平行光，不同波長的光經反射光柵衍射，形成不同方向的衍射平行光，再用凹面反射鏡聚焦到光電轉換裝置的不同位置，實現光譜分辨和記錄。優點是無色差，適用波長范圍廣；缺點是如果用球面反射鏡，其非共軸光學系統會形成較大像差，影響分辨率。

透射式光柵光譜儀用會聚透鏡代替凹面反射鏡形成平行光，其共軸光學系統可以避免嚴重的像差，但透鏡的色散特性又會引入較大色差，同樣影響分辨率。

光源通過入射狹縫后，如果直接入射到光柵上形成衍射，就避免了像差色差問題，但衍射光不是平行光而是形成衍射虛像，其缺點是虛像無法直接在光電轉換裝置上記錄，但可以用裸眼在透射光柵后直接觀測衍射像，并有光譜直觀等優點，缺點是衍射方向不易確定，波長無法直讀等。

在中學和大學物理實驗教學中，以透射光柵為分光元件的分光計有著重要的地位，這是一種以裸眼觀測可見光譜的透射式光譜儀，可以精確地測量衍射角度，進而計算出相應的波長。優點是直觀，精確，適合實驗教學。缺點是價格貴，需要消色差，平行光管和望遠鏡調節復雜，分劃板視場偏小，不能直接讀取波長等。

發明內容

本發明是為了解決利用透射光柵裸眼觀測可見光譜時，衍射信號弱、衍射方向不易確定且波長無法直接讀取的問題，現提供利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置及基于該裝置觀測并讀取波長的方法。

利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置，它包括：入射狹縫、透射光柵、機械轉臂、一號白光狹縫、二號白光狹縫、指針和非線性波長標尺；

光源發出的光穿過入射狹縫垂直入射至透射光柵含有光柵刻線的一側，透射光柵對其接收到的光進行衍射，

一號白光狹縫和二號白光狹縫均垂直于機械轉臂的長度方向固定在機械轉臂上，指針固定在機械轉臂的另一端，且指針的指針指向非線性波長標尺的刻度；

機械轉臂的一端與透射光柵含有光柵刻線的一側中心位置鉸接，非線性波長標尺沿指針擺動時走過的路徑設置。

它還包括：會聚透鏡；穿過入射狹縫的光透過會聚透鏡垂直入射至透射光柵含有光柵刻線的一側。

它還包括：毛玻璃片；光源發出的光經毛玻璃片透射后再穿過入射狹縫。

它還包括：放大鏡；該放大鏡位于機械轉臂的另一端，用于放大非線性波長標尺上的刻度。

它還包括：連動桿、絲桿和手輪；手輪用于帶動絲桿的動作端沿X軸方向移動，連動桿的一端固定在絲桿的動作端，連動桿的一端固定在機械轉臂上。

二號白光狹縫到透射光柵中心的距離為非線性波長標尺到透射光柵中心的距離的0.8倍。

入射狹縫到透射光柵中心的距離等于非線性波長標尺到透射光柵中心的距離。

基于上述利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置觀測并讀取波長的方法，該方法為：

首先，開啟光源，在透射光柵的另一側觀測光譜，

然后，調節機械轉臂的擺動角度，使得衍射譜線與一號白光狹縫和二號白光狹縫所確定的直線共線，

最后讀取當前位置下，指針所指出的非線性波長標尺的刻度，獲得光譜波長。

波長x在標尺上的對應位置的確定方法為：

x＝R·arcsin(λ/d)

其中，λ為波長，R為弧形標尺的半徑，即標尺到光柵中心的距離，d為光柵常數。

本發明所述的利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置及基于該裝置觀測并讀取波長的方法，無需對入射狹縫出射光準直形成平行光，而是直接入射到透射光柵上，形成衍射虛像，逆衍射光方向用裸眼觀測光譜，通過轉臂上的兩個白光狹縫來確認衍射方向，并在非線性波長標尺上直接讀取相應的波長值；具有成本低，視場大，光譜直觀，衍射方向測量精確，波長直讀等優點。適用于物理實驗教學與光譜研究中的可見光譜裸眼測量。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置的結構示意圖；

圖2為具體實施方式二所述的利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置的結構示意圖；

圖3為非線性波長標尺示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1和圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的利用透射光柵對可見光譜裸眼觀測并讀取波長的裝置，它包括：入射狹縫4、透射光柵6、機械轉臂8、一號白光狹縫9、二號白光狹縫10、指針11和非線性波長標尺12；