本發(fā)明涉及波長測量裝置，具體涉及一種基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀及測量方法。

背景技術(shù)：

1、激光波長測量對于科學(xué)研究、精密計(jì)量、工業(yè)應(yīng)用、光纖通信、國防安全和醫(yī)療技術(shù)等領(lǐng)域至關(guān)重要。它確保了從基礎(chǔ)物理研究到高端制造過程的準(zhǔn)確性和可靠性。

2、目前測量激光波長的方法包括光柵法、干涉法、光纖光柵傳感器、光譜分析法等。光柵法利用衍射光柵分析光波的衍射圖樣來確定波長。干涉法測量波長基于光波疊加產(chǎn)生干涉圖樣，通過分析圖樣確定波長。光纖光柵傳感器則利用光纖光柵對特定波長的敏感性來測量。光譜分析法通過分散激光成光譜，測量特定波長光的強(qiáng)度。

3、傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)利用光柵實(shí)現(xiàn)分光，通過分光計(jì)測量光譜線的位置，依據(jù)光柵公式計(jì)算波長。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)存在以下幾點(diǎn)不足：

4、1.分光計(jì)調(diào)整過程繁瑣。在使用光柵測波長前，實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)裝置望遠(yuǎn)鏡筒水平，分別調(diào)節(jié)載物臺、光柵主軸分別與望遠(yuǎn)鏡筒主軸垂直，還需要調(diào)節(jié)平行光管主軸與望遠(yuǎn)鏡筒主軸平行等，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程需要調(diào)節(jié)的步驟非常多且耗時(shí)。

5、2.平行光管發(fā)出的光無法保證與光柵嚴(yán)格垂直。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中往往都是通過操作肉眼觀察得到平行光與光柵，通過測量不同衍射級次光線的角度，應(yīng)用光柵方程，計(jì)算激光的波長。實(shí)際上，激光光束很難嚴(yán)格垂直入射光柵，即入射角不嚴(yán)格為零，導(dǎo)致測量得到的衍射級次光線的角度帶入光柵公式后引起一定的誤差。

6、3.實(shí)驗(yàn)中如果測量激光光源，使用望遠(yuǎn)鏡直接觀察可能會損傷人眼。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，本發(fā)明提供一種基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀及測量方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，包括演示儀底座、半導(dǎo)體激光器、二維光柵、刻度盤、指針定位器和刻度尺，所述演示儀底座上的一側(cè)轉(zhuǎn)動設(shè)有半導(dǎo)體激光器，所述演示儀底座上的另一側(cè)設(shè)有刻度尺，所述半導(dǎo)體激光器和所述刻度尺之間設(shè)有二維光柵，所述演示儀底座上旋轉(zhuǎn)設(shè)有刻度盤，所述刻度盤上設(shè)有二維光柵，所述刻度盤的側(cè)邊設(shè)有所述指針定位器。

4、進(jìn)一步的，所述演示儀底座和所述半導(dǎo)體激光器之間設(shè)有萬向調(diào)節(jié)支架，所述演示儀底座上設(shè)有刻度盤底座，所述刻度盤底座上轉(zhuǎn)動設(shè)有刻度盤支撐軸，所述刻度盤支撐軸上設(shè)有刻度盤和指針定位器，所述刻度盤、刻度盤支撐軸和刻度盤底座的中心對齊。

5、進(jìn)一步的，所述刻度盤支撐軸上還設(shè)有光柵支架，所述二維光柵固定在所述光柵支架上，所述二維光柵、光柵支架和刻度盤的中心對齊。

6、進(jìn)一步的，所述演示儀底座上還設(shè)有刻度尺支架，所述刻度尺調(diào)節(jié)固定在所述刻度尺支架上，且所述刻度尺與所述演示儀底座的右側(cè)平行。

7、進(jìn)一步的，所述演示儀底座的下表面的四角處設(shè)有強(qiáng)鐵磁體。

8、進(jìn)一步的，所述指針定位器呈“l(fā)”形，所述指針定位器的豎直桿設(shè)于所述刻度盤的表面邊緣，所述指針定位器的水平桿套設(shè)于所述刻度盤支撐軸上，且所述指針定位器的水平桿繞所述刻度盤支撐軸轉(zhuǎn)動。

9、進(jìn)一步的，所述刻度盤底座上開設(shè)有限位孔，所述限位孔內(nèi)螺接有限位螺絲，且所述限位螺絲抵在所述刻度盤支撐軸表面上。

10、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種測量方法，應(yīng)用一種基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，包括第一測量方法，具體為：

11、步驟s1：打開半導(dǎo)體激光器，調(diào)節(jié)萬向調(diào)節(jié)支架，使激光光束水平入射到二維光柵中央；

12、步驟s2：旋轉(zhuǎn)刻度盤，使入射到二維光柵的反射光束打到半導(dǎo)體激光器的出射口；

13、步驟s3：旋轉(zhuǎn)限位螺絲，使刻度盤固定；

14、步驟s4：保持刻度尺水平，并調(diào)節(jié)其高度，使從二維光柵出射的光線打到刻度尺上；

15、步驟s5：分別讀出刻度尺上正p級、負(fù)p級光斑中心刻度值；

16、步驟s6：使用指針定位器，分別讀出正p級、負(fù)p級光斑中心角度值；

17、步驟s7：松開限位螺絲，將刻度盤旋轉(zhuǎn)180度，重復(fù)步驟s2-s6；

18、步驟s8：多次測量，得到多個(gè)激光波長值，計(jì)算波長平均值。

19、進(jìn)一步的，還包括第二測量方法，具體為：

20、步驟s1：打開半導(dǎo)體激光器，調(diào)節(jié)萬向調(diào)節(jié)支架，使激光光束水平入射到二維光柵中央；

21、步驟s2：保持刻度尺水平，并調(diào)節(jié)其高度，使從二維光柵出射的光線打到刻度尺上；

22、步驟s3：固定半導(dǎo)體激光器，旋轉(zhuǎn)刻度盤，使出射光束相對零級出射光束產(chǎn)生最小偏向角；

23、步驟s4：旋轉(zhuǎn)限位螺絲，使刻度盤固定；

24、步驟s5：分別讀出刻度尺上零級、p級光斑中心刻度值；

25、步驟s6：使用指針定位器，分別讀出零級、p級光斑中心角度值；

26、步驟s7：松開限位螺絲，將刻度盤旋轉(zhuǎn)180度，重復(fù)步驟s2-s6；

27、步驟s8：多次測量，得到多個(gè)激光波長值，計(jì)算波長平均值。

28、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

29、演示儀底座上的一側(cè)轉(zhuǎn)動設(shè)有半導(dǎo)體激光器，演示儀底座上的另一側(cè)設(shè)有刻度尺，半導(dǎo)體激光器和刻度尺之間設(shè)有二維光柵，演示儀底座上旋轉(zhuǎn)設(shè)有刻度盤，刻度盤上設(shè)有二維光柵，刻度盤的側(cè)邊設(shè)有指針定位器。演示儀底座和半導(dǎo)體激光器之間設(shè)有萬向調(diào)節(jié)支架，演示儀底座上設(shè)有刻度盤底座，刻度盤底座上轉(zhuǎn)動設(shè)有刻度盤支撐軸，刻度盤支撐軸上設(shè)有刻度盤和指針定位器，刻度盤、刻度盤支撐軸和刻度盤底座的中心對齊。

30、本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光器用于提供穩(wěn)定且單色的光源，對于進(jìn)行高精度波長測量至關(guān)重要；萬向調(diào)節(jié)支架允許用戶調(diào)整激光器的位置，確保準(zhǔn)垂直入射，減少測量誤差；二維光柵用于控制光束的方向和強(qiáng)度分布，實(shí)現(xiàn)精確光學(xué)操控；刻度盤用于準(zhǔn)確標(biāo)定光線的角位置；刻度盤支撐軸用于連接刻度盤和刻度盤底座，使刻度盤可以自由旋轉(zhuǎn)；刻度盤底座用于固定刻度盤支撐軸和刻度盤，保證其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；指針定位器用于幫助用戶準(zhǔn)確讀取刻度盤上出射光線的出射角度值；刻度尺用于光柵分光后光線的精確定位和長度測量；演示儀底盤用于承載所有部件，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本裝置不僅便攜、易于操作，而且提供了高精度的測量結(jié)果，非常適合用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中對光學(xué)波長的精確測量。本發(fā)明可用于任何可見光波段的激光光源波長的測量，具有精度高，誤差小，操作簡單，體積小，重量輕，可磁吸附于黑板上定性演示和定量測量的特點(diǎn)。特別適用與大學(xué)物理課堂演示，分組實(shí)驗(yàn)以及科研中對光學(xué)波長的精確測量，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。

技術(shù)特征：

1.一種基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，包括演示儀底座(1)、半導(dǎo)體激光器(2)、二維光柵(3)、刻度盤(4)、指針定位器(5)和刻度尺(6)，所述演示儀底座(1)上的一側(cè)轉(zhuǎn)動設(shè)有半導(dǎo)體激光器(2)，所述演示儀底座(1)上的另一側(cè)設(shè)有刻度尺(6)，所述半導(dǎo)體激光器(2)和所述刻度尺(6)之間設(shè)有二維光柵(3)，所述演示儀底座(1)上旋轉(zhuǎn)設(shè)有刻度盤(4)，所述刻度盤(4)上設(shè)有二維光柵(3)，所述刻度盤(4)的側(cè)邊設(shè)有所述指針定位器(5)。

2.如權(quán)利要求1所述的基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述演示儀底座(1)和所述半導(dǎo)體激光器(2)之間設(shè)有萬向調(diào)節(jié)支架(7)，所述演示儀底座(1)上設(shè)有刻度盤底座(8)，所述刻度盤底座(8)上轉(zhuǎn)動設(shè)有刻度盤支撐軸(9)，所述刻度盤支撐軸(9)上設(shè)有刻度盤(4)和指針定位器(5)，所述刻度盤(4)、刻度盤支撐軸(9)和刻度盤底座(8)的中心對齊。

3.如權(quán)利要求2所述的基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述刻度盤支撐軸(9)上還設(shè)有光柵支架(10)，所述二維光柵(3)固定在所述光柵支架(10)上，所述二維光柵(3)、光柵支架(10)和刻度盤(4)的中心對齊。

4.如權(quán)利要求1所述的基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述演示儀底座(1)上還設(shè)有刻度尺支架(11)，所述刻度尺(6)調(diào)節(jié)固定在所述刻度尺支架(11)上，且所述刻度尺(6)與所述演示儀底座(1)的右側(cè)平行。

5.如權(quán)利要求1所述的基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述演示儀底座(1)的下表面的四角處設(shè)有強(qiáng)鐵磁體(12)。

6.如權(quán)利要求2所述的基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述指針定位器(5)呈“l(fā)”形，所述指針定位器(5)的豎直桿設(shè)于所述刻度盤(4)的表面邊緣，所述指針定位器(5)的水平桿套設(shè)于所述刻度盤支撐軸(9)上，且所述指針定位器(5)的水平桿繞所述刻度盤支撐軸(9)轉(zhuǎn)動。

7.如權(quán)利要求2所述的基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，所述刻度盤底座(8)上開設(shè)有限位孔(13)，所述限位孔(13)內(nèi)螺接有限位螺絲(14)，且所述限位螺絲(14)抵在所述刻度盤支撐軸(9)表面上。

8.一種測量方法，應(yīng)用如權(quán)利要求7任一項(xiàng)所述的基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于，包括第一測量方法，具體為：

9.如權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于，還包括第二測量方法，具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于光柵法測定激光波長的演示實(shí)驗(yàn)儀及測量方法，屬于波長測量裝置技術(shù)領(lǐng)域，演示實(shí)驗(yàn)儀包括演示儀底座、半導(dǎo)體激光器、二維光柵、刻度盤、指針定位器和刻度尺，演示儀底座上的一側(cè)轉(zhuǎn)動設(shè)有半導(dǎo)體激光器，演示儀底座上的另一側(cè)設(shè)有刻度尺，半導(dǎo)體激光器和刻度尺之間設(shè)有二維光柵，演示儀底座上旋轉(zhuǎn)設(shè)有刻度盤，刻度盤上設(shè)有二維光柵，刻度盤的側(cè)邊設(shè)有指針定位器。演示儀底座上設(shè)有刻度盤底座，刻度盤底座上轉(zhuǎn)動設(shè)有刻度盤支撐軸，刻度盤支撐軸上設(shè)有刻度盤和指針定位器。本裝置不僅便攜、易于操作，而且提供了高精度的測量結(jié)果，非常適合用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研中對光學(xué)波長的精確測量。

技術(shù)研發(fā)人員：秦哲,李林楠,余梓萌,孫年生,王涵,唐芯蕊,陳劉鑫,郭迪智
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國民航大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6