波的传播中通常表现出衍射现象，即不沿直线传播而向各方向绕射的现象。但光的传播通常看来是沿着直线进行的，遇到不透明的障碍物时，会投射出清晰的影子。光的衍射和直线传播似乎是彼此矛盾的现象。光的直线传播现象又显示出光与一般的波动有区别。那么怎样来解释这个矛盾呢?
这是因为，光波波长约为390—760nm。一般的障碍物或孔隙都远远大于这个值，因而通常都显示出光的直线传播现象。一旦遇到与波长差不多数量级的障碍物或孔隙时，衍射现象就变得显著起来了。光栅就是根据这个原理来设计制造的。
1 光栅和光栅衍射实验的相关知识
在一块透明的玻璃片上刻有大量相互平行等宽而又等间距的刻痕，这样就形成了透射光栅，其中刻痕被认为是不透光部分。实用的衍射光栅一般每毫米内有几十条乃至上千条缝。当光波在光栅上透射或反射时，将发生衍射形成一定的衍射花样。由于不同波长的光，衍射角度不一样，所以它可以把入射光中不同波长的光分离开来。所光栅和棱镜一样，是一种分光装置，其主要用途是用来形成光谱。透射式平面刻痕光栅是在光学平面玻璃片上刻划大量相互平行、宽度和间距相等的刻痕而制成的，故实际上是一排密集，均匀而又平行的狭缝。通过全息照相，将激光产生的干涉条纹在全息干版上曝光，经显影定影制成全息光栅。它相当于一块刻痕光栅，并具有周期性误差小、杂散光少、光谱适应范围宽等优点。
光栅常数和光栅方程：按照光栅衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定：
(a+b)sin准k=±kλ k=0，1，2…
上式称为光栅衍射方程，式中，a为缝的宽度，b为缝间距离，d=a+b称为光栅常数，一般为1/300mm或1/600mm，λ为入射光波长，k为明条纹光谱线级数，准k是k级明条纹的衍射角。如果入射光不是单色光，则由式中可以看出：光的波长不同，其衍射角准k也各不相同，于是复色光将分解，而在中央k=0，准k=0处，各色光仍重叠在一起，组成中央明纹。在中央明纹两侧对称的分布着k=1，2，……级光谱。
2 实验仪器
2.1 分光计：
分光计的功能：光学实验中常用来测定光线的方向及各种角度，通常利用光栅或者棱镜把一束多色入射光分解为不同角度的出射光;通过对出射光角度的测量来得到它的波长等信息。任何一台分光计必须备有以下四个主要部件：平行光管、望远镜、载物台和读数装置。外形及结构如图1所示。
阿贝式自准直望远镜介绍:安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，并套在度盘上与度盘一起旋转。望远镜系统的目镜可以沿光轴移动和绕轴转动，目镜视度可以调节。目镜分划板视场如图2所示。
读数装置是由套在中心轴上的度盘和游标盘组成。为了消除刻度盘与分光计中心轴线之间的偏差，在刻度盘同
一直线的两端各装有一个游标，测量时，两个游标都应读数，然后算出每个游标两次读数的差，再取平均值，这个平均值可作为望远镜(或载物台)转过的角度，并且消除了偏心误差。
角度游标的读数方法：
度盘分为360°，最小刻度为半度(30')，小于半度则利用游标读数。游标上刻有30小格，每1小格的宽度为29'，和度盘上每一格相差1'，故游标每一小格对应角度为1'。角度游标读数的方法与游标卡尺的读数方法相似，例如图3所示的位置读数为116°12'。
2.2 汞灯
汞灯(GP-20Hg)是一种气体放电灯，发光物质是汞蒸汽。点燃稳定后，在可见光范围内有几条强谱线，由于汞灯光包含有各种波长不同的光，非常适合做分光实验和光谱实验，所以它是光学实验中常用的一种光源。汞灯温下不易点燃，因此，灯管内常充以辅助气体氩气。通电时氩气首先电离放电，使灯泡温度升高，汞受热产生蒸汽，汞蒸汽弧光放电。这是汞灯启动的过程。为保证汞灯正常工作，采用交流220V供电。电路中应根据灯管工作电流的大小，接入合适的镇流器。
汞灯点燃需要预热5～10分钟才能正常发光。如遇突然断电又立刻接通电源，通常不能点燃，须等灯管温度下降后，汞蒸汽气压降至一定程度，才能再次点燃，一般须等10分钟左右。汞灯紫外辐射较强，为保护眼睛，不要直视。
3 实验内容与方法
3.1 分光计光轴和望远镜的调节平行光管光轴和望远镜光轴应当和分光计中心转轴垂直。
同时，平行光管光轴和望远镜光轴应当在同一条直线上。望远镜调焦的目的是将目镜分划板上的十字线调整到望远镜物镜的焦平面上，也就是望远镜对无穷远调焦。在载物台的中央放上光学双面镜，调节载物台螺钉使镜面与望远镜光轴大致垂直。通过调节载物台的调平螺钉和转动载物台，使望远镜的反射像和望远镜在同一直线上。从目镜中观察，此时可以看出一亮斑，前后移动目镜，对望远镜进行调焦，使亮十字线成清晰像，然后，利用载物台上的调平螺钉和载物台微调机构，把这个亮十字线调节到与分划板上方的十字线重合，往复移动目镜，使亮十字和十字线无视差地重合。
3.2 调节望远镜
采用各半调节法，使双面镜两面反射像都在正确位置。
3.3 平行光管的调节
调节狭缝宽度调节螺钉，使狭缝宽度适中。(将狭缝宽度调到1mm左右)。
松开固定螺钉，转动平行光管，使狭缝偈垂直于横十字叉丝，把平行光管光轴左右位置调节螺钉调到适中的位置，将望远镜正对平行光管，从望远镜目镜中观察，调节望远镜微调螺钉和平行光管上下位置调节螺钉，使狭缝位于视场中心。前后移动狭缝机构，使狭缝清晰地成像在望远镜分划板平面上。
3.4 测量汞灯各光谱线的衍射角
光栅插入铜座，放置在载物台上转动望远镜，观察衍射光谱的分布情况，注意中央明条纹两侧的衍射光谱是否在同一平面内。将分划板十字叉丝纵轴对准需要测量的谱线，读取读数。观察光栅谱线，转动望远镜观察汞灯第级(±1级)光谱的四条特征谱线，分别测量各谱线的。低压汞灯的第1级衍射光谱有四条特征谱线：
蓝色:λ=435.84nm;绿 色:λ=546.07nm黄色内:λ=576.96nm;
黄色外:λ=578.97nm
(1)由于衍射光谱对中央明条纹是对称的。为了提高测量准确度，测量第k级光谱时，应测出+k和-k级光谱线的位置，两位置的差值之半即为准k。
(2)为消除分光计刻度盘的偏心误差，测量每一条谱线时，在刻度盘上的两个游标都要读数，然后取其平均值。
3.5 记录数据，计算出结果
将测得的衍射角代入公式中，计算相应的光波波长，在实验报告上叙述所观察的光栅衍射现象，并进行简单分析。
4 注意事项
光栅是精密光学器件，严禁用手触摸，以免弄脏或损坏。平行光管的狭缝装置中，狭缝是由二片精磨刀刃组成，开启时必须小心缓慢地调节，以免旋错方向使刀刃挤压变形损坏狭缝。汞灯的紫外光很强，不可直视，以免灼
伤眼睛。
