用CCD摄谱仪测量光波波长.doc

近代物理实验用CCD棱镜摄谱仪测量光波波长一、实验目的1、了解CCD棱镜摄谱仪的结构、原理和使用方法2、会用CCD棱镜摄谱仪测定光波波长二、实验仪器汞灯、氦灯、CCD微机棱镜摄谱仪，Origin软件三、实验原理1、棱镜摄谱仪的构成图1棱镜摄谱仪由准直系统、偏转棱镜、成像系统、光谱接收四部分组成。棱镜根据折射光的色散原理把平行混合光束分解成不同波长的单色光。本实验用的小型玻璃棱镜摄谱仪，可用来拍摄可见光区域的光谱，采用恒偏棱镜代替图1中的三棱镜，因此照相装置中光学系统的光轴与准直管的光轴垂直（图2）。图22、摄谱仪的性能（1）色散 棱镜的角色散为 （1）它表示相差单位波长的两谱线分开的角距离。实际应用时，常使用线色散D1=dl/dl，以表示相差单位波长的两谱线在光谱面上分开的距离。仪器的线色散数值越大，不同波长两谱线中心分开的距离也越远。（2）分辨本领 仪器分辨本领的物理含义是摄谱仪摄取波长为l附近的光谱时，刚刚能分辨两谱线的波长差为dl。根据瑞利判据，色散棱镜的理论分辨本领为 （2）要提高棱镜摄谱仪的光谱分辨本领，必须选用高色散率的材料制作色散棱镜，且使底边较宽（b大）。（3）相对孔径 谱线的照度E主要决定于进光狭缝的亮度B和照相物镜L2的相对孔径 （3）要增加谱线的照度，可应用聚光照明系统，提高狭缝的亮度；并选用相对孔径大的照相物镜。3测量待测谱线的波长 棱镜光谱的线色散率在各波长处均不同，如果所取波长范围甚小，则可近似认为该范围里色散率是恒定的，即底板上谱线位置n和波长l间是线性关系。在靠近待测波长lx的两侧，选两条波长l1、l2为已知的谱线，测出三条谱线在底板上的位置nx、n1和n2。则可依据线性关系，从l1、l2、n1、n2和nx求出lx值，此方法为内插法。 （4）四、实验步骤1、 观察汞灯和氦灯的光谱（1）调节光源调节时，先将汞灯S点亮，将光源S和聚光照明透镜L放在摄谱仪的底座导轨上，使两者与摄谱仪的入射缝S1等高。调节光源S和聚光照明透镜L的位置，使光源S发出的光通过聚光照明透镜L在入射缝上S1上聚焦（目测达到最亮即可）。（2）调节摄谱仪并观察光谱在F处放一块毛玻璃，调节入射缝S1上方的螺旋测微器旋钮（用途是改变入射缝S1的宽度），使得在F处能够观察到清晰的光谱。若在调节螺旋测微器旋钮后仍看不到光谱，则调节L2右侧的旋钮，改变光谱在F处成像的左右位置。这时可清晰的看到汞灯的光谱。记下各条谱线的颜色。注意：在一般情况下应尽量避免将缝宽调到零，以免损坏刀口！（3）将汞灯从摄谱仪的底座导轨上拿下，换成氦灯，重复（1）-（2）的操作，观察氦灯谱线，记下各条谱线颜色。2、 拍摄汞灯和氦灯的光谱将毛玻璃片从F处拿下，换成CCD摄谱仪的采集器。打开电脑桌面上的ccdshot快捷方式，点击菜单栏“文件”中的“开始采集”，观察电脑屏幕上氦灯的谱线图象。再点击菜单栏“文件”中的“另存为”，将图象存至桌面，命名为自己的学号。将氦灯换成汞灯，重复上述操作，将汞灯的图象存在桌面上。注意：在换成汞灯后，不能移动CCD采集器在F上的位置。3、 记录汞灯和氦灯的光谱数据打开电脑桌面上的ccdshot快捷方式，点击菜单栏“查看数据”中的“打开/添加对比曲线”，选择桌面上存储的汞灯谱线图；用同样方法打开桌面上存储的氦灯谱线图。记录汞灯四组横坐标X与波长Y的数据，用Origin软件绘图，并进行曲线的二次拟合，记下Y和X的关系式。记录氦灯二至四个横坐标X的数据，将数据X带入拟合的方程，算出波长Y并查表计算相对误差，分析误差原因。五、数据记录与处理1、Hg灯横坐标与波长的关系横坐标对应波长（nm）281（黄）579.07308（黄）576.96782（绿）546.073651（蓝紫）435.84用二次曲线拟合得：分析得：Polynomial Regression for Data1_B:Y = A + B1*X + B2*X2ParameterValueError-A595.320093.63573B1-0.060830.00566B24.54281E-61.1203E-6-R-Square(COD)SDNP-0.998764.1264850.00124-即Hg的波长与坐标的关系:=Y= 595.32-0.061*X+4.543*X2nm2、把测得的He的坐标带入关系式: =Y= 595.32-0.061*X+4.543*X2nm可得到He的波长为：1=585.56nm（黄光） 2=507.08nm（蓝绿光）3=494.58nm（蓝绿） 4=457.73（蓝）He灯波长测量误差:横坐标测量值（nm）标准值（nm）相对误差（%）162585.56587.030.251649507.08501.571.101854494.58492.190.1092409457.7344