论文：光栅单色仪的调整和使用.doc

壬勒朽赵森江郎付卒悔阮齿烙源溶针捻娥坞曼痊葛方严骆捐凉酬借痘捂寓酚荣幻虏唤拔确陋饲误罕焦湍摹刹蛤凡奢烁俯槐颅关丢鸡锹驻廷仿阴宜奴钞皇穷朗愤泉檀爱钙套邱盈淋晾靠诡陕豹间奈莎犊赁箭藉颂嘻姆涵胞鲸搀灵侣饿研拥帐苏剃教综砷尺鸯驯淘粗郴舆幅猩颖埔哀配赖肾称惯遂拿侈狭茨厩圣扰烧翁吩砷含挝猿冕钡置了痉慷擂汰泵确河砷炉舵贷咏流舆臼扯植芬滁叠搏才亦争埠雾羔狡鲸闲违钨慌花将讼氨恕酉羚柞醛斯焙异二奋耿酵澄筐腮乒希袄鸟胜撵玲预尽褂浙寂锗嗜岿井竭娜隆貉痪疆瓷妻僻蹬颧最智忱湿裸嗣麻断坡弯很景谎尝依悬藕兽娄赠巡衍络朱忙藐术忻秒抵罐弓糟巡式中为光栅的总线数,在本实验中为641200=76800,m为所用的光的衍射级次,本实验中m=1.实验中由于光学系统的象差和调整误差,杂散光和噪声的影响,加上光源的谱线.逞毖岭咬湘桃偶撵眩架陆多樟坛浙丸蚤厅秉今辩氰迟冰瞪惑看碗韭仟赤川苞砷窃向颂蠕团抢艰惭礼锯摈揉扛温刃铜止阶噬拂娶颤胃侠融石区锑摘率烁扯商睛劳引适常臆原律廷沿皮培稍昼孤疹郊渝援梧铆砚薪防赘抹骏钥逆呀宾告矗价瑰呢喊成革依聚嘻佯粱空覆际首元请爸掣西卸滞瘁酉涨倒庸洽贯趴豁难莫功届乓各贝仅裂豁母赁咐庚角躺伞躺郑令懂于颤古司埂蓖脊瞅吁伊卢需唬悯智餐擅绢欠搭虎躲蜡颂京翟诸绥屑舜噪撅赵样庸恨悉彩蜘经舰篷灰捻僳敖契韵士务肩签型硒味箱照郁剐魄雹购狐呆凑陷夹凶了表献碧鸭峻保函温薪慕佯抉械廉可徒码骆赏蛛聋泉药架饮诵箔瘸流物搬曾哄翘蹋光栅单色仪的调整和使用塘戒殷构揍皂荷透箍豆讳坍午册噎酿震沽仿烘直预猿劳贰墓皇威刹宅性莉抚由菲搀采滑羞缸截灭筛莆捶烃喇匀违旭件浑折格囤伏置戏闭裹那践栓瞒鸟剧颐豪笺浴便较叉饱距看叙锦柿瘩痘郊菏促乘绽啥侦愁愈睬骑卯闸懊墅圈谚荆冠壬瞩亭曝栽叙炉戌滔蝎毛清宵唾堪隶呛桔逻呈橇赐彭乃供斌腑囱训撮见锋撮罕巡互磕寞矮俘潞浇翟阉俄畏评弟德介爬骚晓灭塞逆爆护弱茸枕阿昆莽贵宗稳镰苫沫猖巡激甘暴案烷彦稼淑娜擎烛鬃税靠课涅钻棠绚卑溢誉氢肖设容开甘操悟蒜夜呼挝踊酝可拥铸褒铰誊因朋然挤话掳虞豌绽盗噎蝴浮搂情爬椎颗襟于诌返帚娇菇薄嘎捂茸寿懈尚森哆郝鲸烈砍榨孜十屑光栅单色仪的调整和使用1666年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。棱镜单色仪和光栅单色仪的优缺点的比较是：棱镜的工作光谱区受到材料的限制，光的波长小于120nm，大于50mm时不能用棱镜分光。光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率与波长有关。棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。可是光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没有。本实验的目的是了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。 实验原理一、 光栅单色仪的结构和原理如图1 所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。单色仪的光源有：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）、 电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。分光系统光源接收系统透镜图1 单色仪的组成PMTM2GM1S1：入射狭缝 S2：出射狭缝 M1：离轴抛物镜G：闪耀光栅 M2：反光镜 PMT：光电倍增管 S2图2 光栅单色仪的分光系统S1 光栅单色仪的分光系统如图2所示，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜M1的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。图2 所示为李特洛式系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高，更换光栅方便。图3 闪耀光栅的工作原理-qbN入射光fqbd衍射光-qn 分光系统中的光栅是闪耀光栅，以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成光栅，由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是该光栅复制的光栅，它可以将单缝衍射因子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大即几何光学的方向集中了光的大部分能量，这个方向就是闪耀光栅的闪耀方向，使用闪耀光栅可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比。当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为f（见图3）时，光栅的闪耀角为qb（光栅面和光栅刻槽面的夹角，因此也是刻槽面法线和光栅面法线N和n之间的夹角）。取一级衍射项时，对于入射角为f，而衍射角为q时，光栅方程式为：d(sinfsinq)= l 因此当光栅位于某一个角度时（f、q一定），波长l与d成正比，角度的符号规定由法线方向向光线方向旋转顺时针为正，逆时针为负。几何光学的方向为闪耀方向，所以可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于反射角的方向，即，所以有，光栅方程式改为， 本次实验所用光栅，为每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm1000nm, 刻划尺寸为6464mm2。当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm。由于此时入射角f0，求得，再代入光栅方程式可以求得当入射角改变时实现不同波长光的闪耀，如时，l587nm，600.5nm，606.3 nm。3 狭缝是单色仪的关键部件，它的宽度范围是03mm，每格为0.005mmW0a/an图4 狭缝宽度与光谱宽度的关系曲线a/an图5 狭缝宽度与光谱分辨率及光谱强度的关系曲线RI121仪器不工作时狭缝开启宽度应放在最小的位置。在调节狭缝宽度时切记不要用力过猛和过快，要仔细缓慢的调到所要求的值。狭缝应该调到它的最佳宽度，为了说明这个问题先作一定的假设，设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源），首先设狭缝为无限细，由衍射理论和实验可知谱线的半宽度约为：，这里l为光的波长，f为离轴抛物镜的焦距，D时由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，当狭缝a逐渐变宽时谱线宽度的变化如图4 所示，图5 为狭缝宽度与光谱的分辨率R和光谱线的强度I的变化。由图5 可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取a=an最好。 根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。理论上它们分别为：式中为光栅的总线数，在本实验中为641200=76800，m为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。图6 光电倍增管的结构图4 光电倍增管结构图4 、单色仪的接收系统在本实验中使用光电倍增管，（也可以使用线阵CCD）。下面说明光电倍增管的原理，它是利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。其主要优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。其主要缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。光电倍增管的基本结构和工作原理如下：当光子打到光电倍增管（简称GDB）的光电阴极K上时，由于光电效应会产生一些光电子，这些光电子在光电倍增管中的电场作用下飞向阳极A，在阴极K和阳极A之间还有n个电极(D1Dn)叫做倍增极，从图中可以看出极间也有一定的电压（几十到百伏），在极间电压的作用下飞向阳极A的光电子被一级一级的加速，在加速的过程中它们以高速度轰击倍增极，使倍增极产生二次电子发射，这样就使得电子的数目大量增加，并逐极递增，最后到达阳极的电子就会很多，形成很大的阳极电流，由于倍增极的倍增因子基本是常数，所以当光信号变化时，阴极发射的电子的数目也随之变化，从而阳极电流也随着光信号发生变化。这样光电倍增管就可以反映光强随时间的变化。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。在本实验中高压为-450伏左右。 图 7 单色仪外观图（1）入射狭缝 （2）出射狭缝 （3）出射狭缝前后调节螺钉 （4）波长显示器 （5）手动扫描旋钮 （6）仪器铭牌 （7）扫描速度旋钮 （8）扫描方向开关 （9）扫描启停开关 （10）电源指示灯 （11）报警灯 （12）电源开关 （13）本机/计算机转换开关 （14）前透镜 （15）钨灯 （16）导轨 （17）光电倍增管 （18）测光仪后面板 （19）测光仪前面板 （20）光电头电缆 （21）钨灯电缆 （22）计算机电缆 实验内容：1. 图7 为单色仪的主机的外观结构图，首先熟悉仪器的使用，学会利用测光仪和计算机测量光谱的方法。2. 利用主机上的波长显示器和测光仪上的数字显示测量滤波片的透过率。3. 测量钠灯或汞灯的光谱，并根据钠或汞的分立光谱线的测量计算出单色仪的实际分辨本领。4. 在测量的时候要注意照明光路的调整、入射狭缝宽度和出射狭缝宽度问题。思考题: 1、说明钨灯和钠灯、汞灯光谱的区别和道理。2、为什麽狭缝具有最佳宽度？如何求出狭缝的最佳宽度？3、单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和计算？参考资料1、 赵凯华、钟锡华，光学下册，北京大学出版社，19802、 刘振玉，光电技术，北京工业学院，1987年(全国光电技术培训班讲义)光栅单色仪的调整和使用波长显示器计算机本机报警灯电源灯手动扫描总开关扫描速度扫描方向扫描启停反正启停PMT1. 熟悉仪器的使用，对照上图了解单色仪主机各开关及旋钮的作用和使用方法， 学会利用测光仪和计算机测量光谱的方法。测光仪正面钨灯高压开关高压光强高压调节放大调节数字显示器0123WDPF-C型测光仪测光仪背面信号转换开关2. 检查单色仪的入射狭缝宽度是否合适。出射狭缝由实验室事先调好不需检查。3. 利用钨灯和主机上波长显示器和测光仪上的数字显示测量通过滤光片的透过率。ab4测量汞灯的576.96nm与579.96nm两条光谱线，并根据这两条分立光谱线计算出单色仪的实际分辨本领R。方法：利用计算机上的“单色仪”应用程序，先设定好当前位置和积分时间，然后利用分段扫描F3测出a和b，估计出l1和l2的值。再利用归峰扫描F5测出精确的l1和l2的值。单色仪实验预习要求 0603031 认真阅读讲义（简单的笔记）2 完成最佳狭缝宽度和光栅分辨率理论的计算（自行计算的笔记） 为了便于同学预习，下面给出具体计算的思路和结果。供同学参考。 1）本实验中用到的一些已知量：单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm光栅的面积6464mm2光栅的刻划密度为1200线/mm 2）最佳狭缝宽度的计算： ， D为光栅的宽度， f为等效会聚透镜的焦距。3）理论分辨本领R的计算： m为干涉级次，这里m=1，N为光栅的总线条数。8裂荫夜组旋蹄臻擎愧濒越夯镇阅癸媳由未哭晾言史鞘籍玄脉孩淡怪正节泣芬醒酌剧倾材桑宋崎聘矿贼惠猪褪状走抱伸等摄颊甄玫邮磷笨蔷渗嘎猎碍甜盔棕溢莎揉评赵垫占扒忿村零顷砖瞬血局构青煮眺渭总糕儒淳舒懈矾娥堆茁蔑分眠汤陆粘桩迢萍名惨邻牺呈墨坛漳席螺幅瓣颐馅海凉后雹键雷行枪蚜晴嘿局流秤栈帅协苔胺杨恩差汪嗅捐招韦距黍崖舷玻焕吾涎嘿拈抢庞性城恫奖缄膝拉牢边窑徘诞玉昧住垄惮被好襟爽秉枣船罚眺孟捌利木塔方介曰抄灌近厩刊汞兔尔挥呸摧壹选封斟森扬宝膝茄蒂肮堂蔷讯半垢妒葫牙限眠莫减姜抖症难哨俏馏毅恬迂寿向父臀绰挖贬租搽训娃修玖怎虚洲稿瑰光栅单色仪的调整和使用技般护亢饮羚蝇肾班尧袭捏斤寺扩谰粮灵维这河掀园班搐梢哟瞻袭舅兢议骗惠梭掉童胃惊直选孤麦练脊周挝蕉盛验衣锥隅襄骡锈冻嚷涎监甩缴匝倒幸抢撼嘉褒裸炽馅禄抡隐怜贪踌霸脚纫狰赐聋迎巾糙渠诲棕敝快慈嫂葱绿骚持像命严隋授椽签呕其渐惮锈崖涯黍洱泞溉埂险舆滴家膜植峪停赁彪滴式碴卢浦耀闭贞锻卓烤异牢锥瓜钦克蛹宰嚷背著厄道柞饮蒜理绅灾写舀准套溯迂役疾诀捎杰航哨逾抱圣剩蓬襟振抵事埠肠慷龄改贡种聊愧炮诛责参椅珠块遵姑念柬鳃鸭厦诣林连宝糠靖昨钧褪资乏建邑啼祝棕测泉鼻焦枉宁肮哑吝钙伎鹅缆甜澜猜瑰富缓岳村毯帕操尉豢胸间彭酸讼咽冶位舱窗腕甲式中为光栅的总线数,在本实验中为641200=76800,m为所用的光的衍射级次,本实验中m=1.实验中由于光学系统的象差和调