光学多道分析器.doc

光学多道分析器【实验目的】1、 了解多道分析的基本原理和多道分析器的基本结构及使用方法；2、 掌握用已知光源的标准光谱线定标来测量未知光源谱线的方法；3、 研究发光二极管的发光特性。【基本原理】光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。常用的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱，设计的波段从X射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通过测量几种发光体在可见光波段的发射光谱使大家了解光谱测量的基本方法以及不同发光光源的谱特征。WGD-6型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。 图1 光学原理图M1: 反射镜、M2: 准光镜、M3: 物镜、M4: 转镜、G: 平面衍射光栅、S1: 入射狭缝、S2: CCD接收位置、S3: 观察窗（或出射狭缝）S1M2M1 M3S2GM4S3S2光学系统采用CT型，如图1，入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围02mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1位于反射式准光镜（球面反射镜）M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束 经物镜M3（球面反射镜）和平面反射镜M成像在S2上，或转动M使光从S出射以便观察。在S出射窗口形成的1的光谱带成像于CCD接收单元（电荷耦合器件）。它是一种以电荷量表示光强大小、用耦合方式传输电荷量的器件，本实验所用CCD接收单元一共2048个（也叫2048道），摆成一维线阵（二维面阵CCD以大量用于摄像机和数字照相机）放在光谱面上，一次曝光就可获取整个光谱，一次测量的光谱范围为159nm，亦即两个像元之间对应的波长差为0.077nm。因此，要进行 “道”到波长的转换，这也涉及到用标准光源（如汞灯）谱线进行波长的定标问题。通常，一般平面透射光栅的衍射条纹中0级明纹占入射光光强的80%左右，而且各种波长的0级明纹重迭，其它条纹的强度很小，这是因为光栅衍射条纹的形成是缝间干涉被单缝衍射所调制的结果，这不利于色散的精确测量，实际中是使用各波长明纹彼此分开的同一级光谱，如第一级光谱。因此，上图中放在有精密数字步进马达驱动的转盘平台上的光栅M4是闪耀光栅。闪耀光栅是一种反射光栅，其原理如图所示。以磨光了的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石刀头在上面刻划出一系列锯齿状槽面。槽面与光栅平面之间的夹角，或者说它们的法线n和N之间的夹角b，叫做闪耀角。闪耀角的大小可由刻制时刀口的形状来控制。bdbanN图假设平行光束沿槽面法线n方向入射，单槽衍射的级是几何光学的反射方向，即沿原方向返回。对于槽间干涉来说，相邻槽面之间在这方向有光程差L=2dsinb。满足下式的1b叫做级闪耀波长：2dsinb =1b光栅的单槽衍射级亮纹正好落在1b光波的级谱线上。又因闪耀光栅中的a=d，1b光谱中的其它级（包括级）都几乎落在单槽衍射的暗线位置而形成缺级。这样一来，的光能集中到1b光的级谱线上，使其强度大大增加。显然，1b光的闪耀方向不可能严格地又是其它波长的闪耀方向，不过由于单槽衍射的级主峰有一定宽度，它可容纳1b附近一定波段内其它波长的级谱线，使它们也有较大的强度，同时这些波长的其它级谱线也都很弱。此外，用同样的方法我们可以把光强集中到级闪耀波长b附近的级光谱中去,b满足2dsinb =b。总之，我们可通过闪耀角b的设计，使光栅适用于某一特定波段的某级光谱上。【实验数据及分析处理】、 将汞灯谱线信息输入存储器1中，启动实时采集，并通过单击手动前进和后退按钮，可以在屏幕上观察到汞光源的一系列谱线。通过检索将显示中心波长调至处，可看到汞灯的三条谱线（图一中蓝色并分别标有1、2、3的三条线状光谱），由分析可知其波长分别为： ， ，。 图一2、将钠灯谱线信息输入存储器2中，同样通过检索将显示中心波长调至处，启动实时采集，此时可在显示屏上同时看到中心波长为时汞灯和钠灯谱线信息（如图一所示），其中红色线状光谱即为钠灯的两条主谱线。3、由于已知汞灯的三条谱线波长，取其中任意两条进行手动线性定标，定标完毕后屏幕横轴将由通道显示变为波长显示，实现了由通道方式向波长方式的转换。在此情况下，则可对该波长范围内任意谱线的波长进行直接读取了。取图一中汞灯的1、2两条谱线进行线性定标，横轴变为波长显示，可对汞灯的谱线3、钠灯的第一条及第二条谱线的波长进行直接读取，如下图所示： 图二 图三 图四图二：可读出汞灯的谱线3的波长为，与其标准值相比，相对误差为 图三：可读出钠灯的第一条谱线的波长为，与其标准值相比，相对误差为 图四：可读出钠灯的第二条谱线的波长为，与其标准值相比，相对误差为 4、将红、绿发光二极管谱线信息分别输入存储器3、4中，通过检索将显示中心波长调至处，启动实时采集，此时可在显示屏上同时看到中心波长为时汞灯、钠灯及红、绿发光二极管谱线信息，如下图所示。其中黄色光谱为红色发光二极管谱线，绿色光谱为绿色发光二极管谱线。由此图显示情况可以看出：红、绿发光二极管谱线为连续光谱，与汞灯、钠灯的线状光谱不同。其原因为两种光源的发光机制不同。汞灯、钠灯为原子跃迁发光，由于各能级能量值并不连续，所以在能级间跃迁所辐射发出的谱线为分离的线状光谱；而红、绿发光二极管与日光灯等普通光源一样同属热光源，为受激热辐射发光，其谱线均为连续光谱。 定标后由定标后的显示图可读出：绿色发光二极管的两个峰值对应波长值分别为和；红色发光二极管的峰值对应波长值为。【思考题】、 波长修正与定标有什幺区别？定标的方法不同对实验误差有何影响？答：波长修正是用来修正中心波长值，也即修正屏幕显示的谱线波长范围的；而定标是使用标准谱标定波长，是实现通道显示到波长显示的手段，在测量任意谱线波长前都必须先进行定标。定标的方法可分为线性定标（两点定标）、二次定标（三点定标）、三次定标（四点定标）等，用来定标的点越多，建立的波长轴显示越准确，读取的波长误差越小。2、本仪器系统用来做光谱分析有何不足？ 答：其不足主要有：仪器系统本身测量的精度有限，所以只能对光谱测量分析的基本手段进行演示，而不能进行精密的光谱测量分析；本仪器系统在进行光谱定标测量时，定标结果不能在全部波长范围通用，只要屏幕显示的谱线波长范围改变后就必须重新定标，操作比较繁复。3、在暗室环境下，打开日光灯，能否发现546.1nm的谱线？ 答：不能。日光灯等普通光源属于热光源，其发光机制为受激热辐射发光，其谱线为连续光谱，所以不能看到546.1nm