使用光学多道测量光谱.doc

使用光学多道测量光谱预习报告【姓名】周朝健08180139【班级】物理081【摘要】 利用光栅的色散功能，将被测光成分分离，在不同的位置收集以不同衍射角射出的光，利用光子会在半导体中作用产生电子-空穴对，产生的电子量与光子数成正比的规律，我们就可以将光信号转换成电信号。依此法就得到了被测光各成分的信息。光学多通道分析器就是能用于各个方向同时进行收集光信号的仪器。【关键词】 光谱测量、电荷耦合器件（CCD）、光学多通道分析器（OMA）。【正文】光谱分析检测技术和光谱仪以其高灵敏、高分辨、高速度、可遥测、无污染、干扰小等一系列优点，已成为各种理、化、生物、环境信息的最佳获取手段，可为各个领域提供宏观或微观信息。OMA采用光子探测器（CCD）和计算机控制的新型光谱分析仪器，它集信息采集、处理、存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理、测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率；使用OMA分析光谱，测量准确迅速、方便，且灵敏度高、响应时间快、光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机、绘图仪输出。目前，它已被广泛使用于几乎所有的光谱测量、分析及研究工作中，特别适应于对微弱信号、瞬变信号的检测。CCD工作原理CCD是一种用耦合方式传输电荷量并用电荷量来表示光强大小的器件。它具有自动扫描，光谱范围宽，动态范围大，体积小，功耗低，寿命长，可靠性高等优点。将CCD一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获得整个光谱。图1CCD的结构图1所示，衬底是P型Si，硅表面是一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容。如果金属电极置于高电位，在金属界面积累了一层正电荷，P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂质离子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何贡献。在耗尽层内或附近，由于光子的作用产生电子-空穴对，电子被吸引到半导体与SiO2绝缘体的界面形成电荷包，这些电子可以传导的。电荷中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比，很多排列整齐的CCD像元组成一维或二维CCD阵列，曝光后光强分布图将形成为一帧电荷分布图。多道分析器原理图2入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成某一波长范围的谱带。位于出射窗口处的多通道CCD将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描并经A/D变换后在计算机上显示出来。光学多通道分析器的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于反射式准光镜M2的焦面上。光经过反射镜M1反射到M2上，并经过M2反射成平行光束投向平面光栅G，衍射后的光束经物镜M3成像在CCD接收头S2上，或经过转镜M4从出射狭缝射出（观察窗）。由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为多级衍射光。所以在观察屏S3处形成以某一波长为中心的一条光谱带，使用者可在观察屏S3处直观地观察到光谱特征。转动光栅G可改变中心波长，整条光谱带也随之移动。转开平面镜M4可使M3直接成像在S2光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏S3上看到的完全一致。图3本实验使用的是，仔细阅读仪器说明书后，即可开始实验。首先，接通仪器与计算机的数据线，打开仪器电源后，再打开计算机上的控制软件。软件开启后，若检测仪器运行无误后会自动检零，否则，计算机会提示错误。此时，则应该检查一下仪器是否正常，如观测档位是否打至CCD档，仪器摆放是否正常，电源工作是否正常等等。一切工作状态确认无误后，可以开始定标。本实验用汞灯定标。首先查找资料，得到汞元素的标志谱，一共有四条，其波长分别为404.68nm,546.07nm,576.96nm,579.07nm。把汞灯摆在入射侧的适合位置，调整好狭缝大小，调节时要注意与狭缝连接的螺旋测微器的读数，使调整范围在02mm之间，若狭缝太大，得到的条纹不可用，狭缝太小，会损坏狭缝刀口。然后操作软件以得到多道检测仪测到的光谱。先不开汞灯电源，点击快捷栏的背景按钮，计算机提示采集背景光，单击确定。背景光采集完成后，打开汞灯电源。单击快捷栏的“实时”，多道仪开始实时接收汞灯所展开的谱线。点击“手动前进”或“手动后退”键来移动中心波长，以移动整个波形，来寻找汞的标志谱线。此时可以进一步微调狭缝宽度，以得到漂亮的谱线峰形。如何寻找汞元素的标志谱线呢？由于单道检测器只能接收波长为+d范围的波长，将能接收不同波长段的单道按波长基数做升序排列，便得到了多道检测仪。检测仪的每一道都对应着极小范围的波长。因此，多道检测仪的道对应着其接收的一定值的波长。但是这种对应并不能完全成立，原因在于道数与波长的初值不同，量纲也不同。因此，我们将波长差之比与道数差之比来作为映射的两端。数值差之比恰好消除了初值差异和量纲差异带来的限制。依照此法对应找到的汞元素标志谱波长数据，就可以很方便地找到软件中显示的哪些波峰是对应着汞的标志谱线的了。找到符合条件的谱线后点击实时按键右侧的“停止”，拍摄到满意的谱线波形。可以观察到此时图形的横坐标是道数，所以我们要通过定标来将横坐标转换成波长。单击菜单栏“数据处理”“手动定标”，此时鼠标变成十字状，将十字中心与找到的标志普波峰对齐，若发现存在偏差，可以用键盘上的方向键进行微调。对齐后按下回车键，出现定标对话框，在指定框中输入对应标志谱线的波长，单击“添加下一处”，开始依照同法对下一波形进行定标操作。当完成第四个波峰的定标后，不要再单击“添加下一处”，而是点击“完成定标”。此时会出现如图4画面。选择“线性定标”，单击“定标”，此时可以看到图形横坐标以变成波长。并且可以看到标志谱对应的波峰恰好对应着其谱线的波长处。也可以点击菜单栏的“数据处理”“寻峰”来检查汞的标志谱线波长，如图5。图4图5定标完成后，就可以用来测量其他元素的光谱了。撤下汞灯，将钠灯摆放在适合位置。点击快捷栏上的“实时”按钮。使用“手动前进”和“手动后退”来寻找钠光的光谱所对应的波形。调节狭缝宽度使波峰形状清晰可辨，然后单击“停止”。此时可以看到钠光的两条十分靠近的谱线以两个很靠近的波峰形式出现在坐标系中，波峰所对应的横坐标值就使两条钠黄光的波长。通过操作菜单栏“数据处理”“寻峰”来读出波峰对应的波长值。实验界面如图6。图6由图6可知，钠的谱线波长为589.51nm,590.03nm，与资料显示的数据十分接近。 通过这次实验，我们初步掌握了多道检测仪的定标和使用多道检测仪测量光谱的原理、基本操作。实验期间对仪器浅层构造的研究发现了仪器控制端移动中心波长是通过转动散射光栅改变光路来实现的。这给了我们这样一个启示，精密仪器始终是基于一些简单的原理制造的。因此，生活中仔细观察，善于思考，我们也能凭借所学有所作为。这与人类测量光谱的历程是相一致的。测量光谱的原理始终没有发生过太大变化。但是随着科学技术