光栅光谱仪实验报告

光栅光谱仪的使用光栅光谱仪的使用 学 号 学生姓名 张家梁 专业名称 应用物理学 通信基础科学 所在系 院 理学院 2017 年 3 月 14 日 光栅光谱仪的使用 张家梁 1 实验目的 1 了解光栅光谱仪的工作原理 2 学会使用光栅光谱仪 2 实验原理 1 光栅光谱仪 光栅光谱仪结构如图所示 光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅 入射狭缝和出射狭缝 分别在两个球面镜的焦平面上 因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上 衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上 光栅可在步进电机控制下旋转 从而改变入射角 度和 终聚焦到出射狭缝处光线的波长 控制入射光源的波长范围 确保衍射光无级次重叠 可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长 光谱仪的光探测器可以有光电管 光电倍增管 硅光电管 热释电器件和 CCCD 等多 种 经过光栅衍射后 到达出射狭缝的光强一般都比较弱 因此本仪器采用光电倍增管和 CCD 来接收出射光 2 光探测器 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器 它由光阴极 电子光学输入系统 倍增系统及阳极组成 并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极 打拿极 又称 倍增极 阳极之间建立一个电位分布 光辐射照射到阴极时 由于光电效应 阴极 发射电子 把微弱的光输入转换成光电子 这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦 光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极 产生二次电子 由于二次发射 系数大于 1 电子数得到倍增 以后 电子再经倍增系统逐级倍增 阳极收集倍增后的电 子流并输出光电流信号 在负载电阻上以电压信号的形式输出 CCD 是电荷耦合器件的简称 是一种金属 氧化物 半导体结构的新型器件 在电路 中常作为信号处理单元 对光敏感的 CCD 常用作图象传感和光学测量 由于 CCD 能同 时探测一定波长范围内的所有谱线 因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用 3 闪耀光栅 在光栅衍射实验中 我们了解了垂直入射时 90 光栅衍射的一般特性 当入 射角 90 时 衍射强度公式为 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定 只不过此时 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时 衍射角 取 号 异侧时取 号 单缝衍 射中央主极大的条件是 u 0 即 sin sin 或 将此条件代入到多缝干涉因子中 恰 好满足 v 0 即 0 级干涉 大条件 这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射 0 级 大位置是 重合的 图 9 1a 光栅衍射强度 大的峰是个波长均不发生散射的 0 级衍射峰 没有实用 价值 而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低 为了提高信噪比 可以采用锯齿型的反射光栅 又称闪耀光栅 闪耀光栅的锯齿相当 于平面光栅的 缝 与平面光栅一样 多缝干涉条件只取决于光栅常数 与锯齿角度 形 状无关 所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时 两者 0 级极大的角度也一样 闪耀 光栅的沟槽斜面相当于单缝 衍射条件与齿面法线有关 中央极大的衍射方向与入射线对 称于齿面法线 N 于是造成衍射极大与 0 级干涉极大方向不一致 适当调整光栅参数 可 以使光栅衍射的某一波长 强峰发生在 1 级或其它高级干涉极大的位置 图是平面光栅和 闪耀光栅衍射各级谱线强度示意图 闪耀光栅是许多光栅光谱仪中采用的色散器件 3 实验步骤 1 粗调狭缝宽度 不打开光谱仪控制箱电源 取下入射狭缝前的光源 调节入射狭缝 的缝宽 直接观察狭缝宽度的改变 先顺时针调节 观察狭缝宽度逐渐增大 然后减小狭 缝宽度至狭缝刚好完全关闭 后 调节缝宽至约 0 50mm 同样 调节出射狭缝至 0 5mm 注意 出射狭缝后挂接着光电倍增管 光电倍增管只能接收微弱光强 不可在室 内照明强度下使用 因此实验过程中不可取下光电倍增管 2 寻找狭缝的零点误差 狭缝宽度由微分头调节 存在零点误差 我们可通过实际现 象来判断 打开光谱仪电源控制箱和计算机 启动光谱仪软件 将溴钨灯安装到入射狭缝 处 灯的前端接口与狭缝是配套的 可直接挂上 打开溴钨灯电源 调节电流至 大 调 节负高压至 300V 设在软件 参数设置 中选择工作模式为 能量 间隔 1 00nm 工 作范围 即起始波长和终止波长 为 200 660nm 采集次数为 25 其它参数不变 点击 菜单 定点 按钮 弹出的对话框中设置波长 500nm 和扫描时间 60s 设置后仪器 将自动扫描至 500nm 处连续测量光强 60 秒后停止 在扫描过程中 分别调节入射和出 射狭缝 可即时看到出射光强的变化 保持出射狭缝 0 50mm 不变 减小入射狭缝 使光 强刚好减小至零 或小到不变 光强一般至少小到 10 以下 此临界位置即为入射狭缝的 零点 同样 调节入射狭缝至 0 50mm 并保持不变 逐渐减小出射狭缝 使光强刚好减小 至零 或小到不变 此临界位置即为出射狭缝的零点 记录零点误差 3 用钠灯双黄线校正光谱仪 点亮钠灯 使其对准入射狭缝 调节入射狭缝为 0 40mm 出射狭缝为 0 20mm 工作范围 580 600nm 间隔 0 01nm 负高压约 300V 选 择寄存器 1 点击 单程 开始扫描 扫描结束后 如果谱线的最大值小于 200 或者大 于 950 则适当增大或减小负高压 以后所有的谱线都要满足这个条件 不再赘述 再次 扫描 得到合适的谱线后 用软件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线 并与理论值比 较 如果误差超过 1nm 则用软件的修正功能予以修正 4 量高压汞灯光谱 入射狭缝为 0 40mm 出射狭缝为 0 20mm 200 630nm 间隔 0 1nm 负高压与钠灯相当 选择寄存器 2 寻峰 记录波长和相对光强 与理论值比较 作标准值 测量值曲线图 并得出光谱仪的波长修正公式 5 测量氢 或者氢氘 原子光谱 氢灯灯管很细 注意尽量对准狭缝 负高压预设 600V 如没有谱线 应左右移动氢灯使其对准狭缝再测 分三段测量 650 660nm 480 500nm 380 440nm 间隔 0 01nm 分别选择寄存器 3 4 5 寻峰 记录波长和相对光 强 由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数 并与理论值比较 4 实验结果数据 1 出射狭缝的零点 0 185mm 2 入射狭缝的零点 0 019mm 3 钠光灯校正光谱仪的波长 校正前校正前 校正后校正后 4 高压汞灯光谱 寻峰所得数据 5 氢原子光谱 380nm 440nm 480nm 500nm 650nm 660nm 6 溴钨灯滤色片透过率曲线 5 数据处理 1 用汞光灯谱数据 作 理 散散点图 拟合并得到曲线公式 2 作滤色片的透过率曲线 6 实验总结 本次实验作为这学期的第一次实验 难度算一般 唯一的缺点在于本次实验比较费时 间 而且反复性较强 一次成功比较难 故需要有一定耐心 这次实验学习使用了光栅光 谱仪并且对光谱有了一定的了解 并且了解了光栅光谱仪的原理 在数据处理上 origin lab 的使用还不够熟练 需要探索并做到使用流畅 总之本次实验比较顺利 7