光栅是一种光学元件。它的表面有很多刻线。这些刻线非常细密。光通过光栅会发生衍射。衍射光会互相干涉。最后形成光谱。光谱是按波长排列的彩色条纹。设计性试验就是自己设计实验。这个试验研究如何制作光栅。研究怎么测量光栅的参数。

光栅的原理很简单。光是一种波。波遇到障碍物会绕过去。这就是衍射。很多刻线就是很多障碍物。光通过每条刻线都产生衍射。衍射光波彼此叠加。有的地方波峰加波峰。光就变强。有的地方波峰加波谷。光就变弱。最后屏幕上出现明暗条纹。不同颜色的光波长不同。偏折角度就不同。白光就被分成七色光。

我们研究设计性试验。试验需要一块玻璃片。玻璃片要平整干净。先在玻璃上涂一层金属膜。通常用铝膜。铝膜要均匀。膜不能太厚。也不能太薄。接着需要一台干涉仪。干涉仪能产生两束光。两束光在铝膜上相遇。光波干涉形成明暗条纹。亮的地方光强。暗的地方光弱。亮处的铝膜会被化学反应去掉。暗处的铝膜保留下来。这样就在玻璃上留下了刻痕。刻痕的间距就是干涉条纹的间距。这个过程叫做光刻。

光刻完成后。玻璃上就有了光栅。但这是透射光栅。光可以直接透过刻痕。我们有时需要反射光栅。那就再镀一层高反射膜。比如银膜。光照射到光栅上。大部分光被反射。同时发生衍射。我们设计试验要控制刻线密度。刻线密度是每毫米有多少条线。密度越大。光谱分得越开。但光也会变暗。我们需要找到合适的密度。

试验要测量光栅的参数。最重要的参数是光栅常数。光栅常数是两条刻线之间的距离。测量需要一束激光。激光波长是已知的。比如常用的氦氖激光。波长是六百三十二点八纳米。激光器对准光栅。光栅放在转台上。转台可以旋转。我们转动光栅。观察屏幕上的衍射斑点。找到最亮的斑点位置。记录转过的角度。这个角度叫做衍射角。

根据光栅方程。光栅常数乘以衍射角的正弦值等于波长。我们知道了波长。测出了角度。就能算出光栅常数。光栅方程是dsinθ=kλ。d是光栅常数。θ是衍射角。k是光谱级次。λ是激光波长。我们通常测第一级光谱。k等于一。计算就很简单。试验要重复多次。转动光栅左右两边。测量多个角度取平均值。这样结果更准确。

另一个参数是光栅的分辨本领。分辨本领是光栅分开两条靠近谱线的能力。它和刻线总数有关。刻线总数越多。分辨本领越高。我们制作的光栅面积有限。刻线总数是刻线密度乘以光栅宽度。设计试验时要决定光栅做多大。玻璃片的大小有限制。我们可能用一厘米宽的玻璃。如果刻线密度是每毫米一千线。那么刻线总数就是一万线。分辨本领大约是十万。这个数表示能分辨波长差万分之一的两种光。

设计性试验要考虑误差。激光光束不能太粗。要垂直照射光栅。转台的刻度要精细。读数要读到分。角度测不准。光栅常数就算不准。环境也有影响。桌子要稳。不能有震动。空气流动要小。温度变化会影响玻璃尺寸。但影响很小。通常可以忽略。人的眼睛判断亮斑位置有偏差。可以改用光电探测器。探测器连接电脑。自动记录光强最大位置。

我们还可以研究不同形状的光栅。通常刻线是直的。平行等距排列。这叫平面闪耀光栅。我们可以设计刻线是弯的。比如凹面光栅。凹面光栅自己会聚焦光。不需要额外的透镜。制作凹面光栅更难。需要弯曲的玻璃基底。或者用平面光栅弯曲成像。凹面光栅用在光谱仪里。仪器可以更紧凑。

试验也包括测试光栅的质量。用光栅观察钠灯的光谱。钠灯有两条黄色谱线。波长非常接近。如果光栅质量好。我们能看到两条分开的黄线。如果光栅刻线不均匀。谱线就会变宽。两条线混在一起看不清。用汞灯也可以。汞灯有蓝色线、绿色线、黄色线。线条清晰锐利。说明光栅好。线条模糊暗淡。说明光栅质量差。

设计试验可以尝试不同光刻方法。我们用干涉仪制作全息光栅。全息光栅没有刻线的毛刺。杂散光少。也可以用机械刻划机。刻划机用金刚石刀在膜上刮出刻线。这种方法古老。但能做出很好的光栅。机械刻划需要非常精密的机器。我们实验室可能没有。所以常用光刻法。

我们研究设计性试验要考虑成本。玻璃片便宜。镀膜机实验室常有。干涉仪比较贵重。但不是每次都用。激光器是常用设备。总的来说成本不高。学生可以分组合作。一组负责镀膜。一组负责光刻。一组负责测量。大家轮流做。都能学到技术。

光栅的应用很多。光谱仪是主要应用。光谱仪分析物质的成分。每种元素发出的光不一样。光栅把光分开。我们看光谱就知道有什么元素。天文望远镜用光栅研究星星的光。知道星星的组成和温度。激光也用光栅。光栅可以选择特定波长的激光。让激光颜色很纯。光栅也用在光通信里。分开不同通道的信号。

设计性试验的目的是学习。学习光的基本性质。学习精密制造的思路。学习测量的方法。试验中有很多细节。铝膜的厚度要合适。太厚了光刻不彻底。刻线边缘不清晰。太薄了刻线容易磨损。光刻的时间要控制。曝光时间长了。该保留的铝膜也被去掉。曝光时间短了。刻线太浅。衍射效果差。

我们记录所有步骤。记录用的材料。记录仪器的设置。记录测量的数据。记录计算的过程。记录遇到的问题。记录怎么解决问题。这就是研究。试验可能失败。第一次镀膜有灰尘。玻璃上有了黑点。光刻后光栅有瑕疵。第二次更小心。清洁玻璃。在干净环境中操作。试验就成功了。

设计性试验没有标准答案。我们可以自己决定光栅常数。可以决定做透射光栅还是反射光栅。可以决定光栅的面积。不同的选择有不同的结果。我们比较不同小组的光栅。看谁的光栅质量好。看谁的光栅分辨本领高。这是一个开放的研究。

光栅研究涉及物理知识。涉及化学知识。涉及机械知识。这是一个综合的课题。通过动手做。我们真正理解了光的波动性。理解了干涉和衍射。这些知识书本上有。但做一遍印象更深。

我们生活在光的世界。光栅帮助我们看清光的颜色。彩虹是自然的光栅。雨滴把阳光分开。我们制作的光栅是小型的彩虹制造器。设计性试验让我们成为制造者。我们制造工具。我们探索自然。科学就是这样。观察现象。理解原理。动手实践。不断改进。这就是研究的意义。