实验七 平面光栅单色仪应用.doc

实验七 平面光栅单色仪应用平面光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可把紫外，可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光。可进行光谱分析、测定接收元件的灵敏特性、滤光片吸收特性、光源的能谱分析和光栅的集光效率等。如配备电子束激发器，X射线激发器，光子激发器和高频等离子，辉光放电等稳定光源相配套，可进行光谱的化学分析。与棱镜相比，光栅具有色散本领大，均匀性好，分辨率高等特点。因而在光谱学，计量学，光通讯等方面有着广泛的应用。本实验通过对溴钨灯发射光谱的测量，加深了解平面光栅单色仪和光谱技术的综合应用。【实验目的】1 掌握平面光栅分光的物理原理。2 研究夫琅和费衍射的光强分布，加深对衍射理论的了解。3 观察平面光栅衍射现象，学会平面光栅单色仪的使用。4 学习使用光电倍增元件来测量和描绘出射光谱的能量分布。【实验原理】光的衍射现象是指光遇到障碍物时偏离直线传播方向的现象。而光栅是指任何能起周期性地分割波阵面作用的衍射屏。作为色散元件的衍射光栅最早是由夫琅和费用细金属丝制成的，夫琅和费用它测出了太阳光谱中的暗线波长。后来他又用金刚石刻划贴金箔的玻璃板，得到了性能更好的光栅。常用的衍射光栅分透射式与反射式两种。透射式光栅是用金刚石刀在平面透明玻璃板上刻划平行，等间距又等宽的直痕而制成的。反射式光栅是在坚硬的合金板或高反射率平面镜上刻划而成的。本实验用反射式平面光栅。理想的反射式平面光栅，可视作是相互平行，等宽，等间距，均匀排列的许多狭缝。如设光栅的缝宽为d，则d称为光栅常数，本实验中刻线密度为1200条/mm。根据夫琅和费理论，一束平行光垂直地入射到平面反射光栅上，经各缝衍射后向各方向传播。衍射角适合如下条件：dsin=k k=0，1，2，3 上式称作平行光垂直入射时的光栅方程。式中为衍射角，为光波波长，k为光谱线级数，当k =0，=0时，各种波长的光均满足上式，重合在一起形成零级光谱。k不为零时,不同波长的光对应不同的衍射角，光谱线便按波长（或衍射角）由小到大展开。如果入射光含有连续波长分布的复色光照射光栅，其一级主级大将是较宽的彩色亮带，从靠近零级主级大的内侧向外，颜色是由紫而最终变红色，称为光栅光谱。其它各级主级大的情况类似，仅零级保持为白色窄条，且对给定光栅常数的光栅，除中央零级明线外，不同波长的同一衍射主级大的位置均不重合，波长越短，衍射角就越小，越靠近中央。而在较高级次处，相邻级的衍射谱线间会出现重叠，级次越高重叠越严重。如图1为光栅衍射光谱 第三级光谱中央明条纹 第一级 第二级 白光 图1 衍射光谱平面光栅单色仪的工作原理是光源（钨灯）发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦面上。光经过M1平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到M1，经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上，最后照到光电接受元件上。由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。这种光学系统称为李特洛式光学系统，见图2所示。 G M2 M1 S1 S2 图2光学系统图一般光源所辐射的光往往是由各种波长的光组成。如果各种波长是连续变化的，那么这类光源称为连续光源。由于光源的光谱分布与光的物质特性有关，因此测定光源的光谱分布是研究物质内部微观结构的重要工具之一。光源能量分布的测量方法常用的有两类：一类是照相法；另一类是光电法。本实验就是用光电法测定光源的光谱能量分布。单色仪的基本特性是其单色性和出射单色光的强度，实验中，一般总是希望出射的单色光的光谱宽度尽量窄（即单色性尽量好）和单色光的强度尽量高。除了平面光栅的色散率的大小外，单色仪出射光的光谱宽度的宽窄主要由缝宽，衍射和像差等因素决定，其中像差在设计调整时已尽量减小。在正常情况下，对单色仪来说，主要是解决缝宽和色差问题。缝宽的选择，一方面使缝宽尽可能窄，使相邻两波尽可能分开，另一方面，缝的宽度又不能太小，否则出射的单色光的强度变得太小，而无法探测到。一般要求出射狭缝宽等于入射缝宽，约0.015 mm左右，至于缝宽究竟选择多少，则要根据光强的强弱和接收器的灵敏度来决定。【实验装置】1平面光栅单色仪WDP500-C平面光栅单色仪结构图如图3所示，其主要功能是将光源从入射狭缝进入，再通过主机内的平面光栅从出射狭缝射出。打开电源，选择本机切换和扫描方向，最后启动扫描就可以从出射狭缝观察到不同颜色的单色光了。平面光栅单色仪的狭缝大小可通过螺旋测长计调节，扫描也可以通过手动实现。（平面光栅单色仪还可以通过计算机的连接来控制。） 3 4 5 61 2 7 8 9 10 11 12 13 14 15 图3 平面光栅单色仪结构图（1）钨灯 （2）前透镜 （3）出射狭缝 （4）电源指示灯（5）报警灯 （6）波长显示器 （7）导轨 （8）入射狭缝（9）光电倍增管 （10）电源开关 （11）本机/计算机转换开关（12）手动扫描开关 （13）扫描速度旋钮 （14）扫描方向开关（15）扫描启停开关仪器的主机内主要是步进电机信号发生器，用来控制步进电机的转动。主机通电后电源指示灯亮。将“本机/计算机”转换开关打在“本机”位，“扫描启停”开关打在“启”位，自动扫描就开始工作。“扫描速度”：“1”为1.56nm/min；“2”为3.13nm/min；“3”为6.25nm/min；“4”为12.5nm/min；“5”为25nm/min；“6”为50nm/min；“7”为100nm/min。“扫描方向”置“正”扫，扫描波长由短波到长波，置“反”扫，扫描波长由长波到短波。“正”扫能变速，“反”扫不能变速，即不论“扫描速度”置何档，“反”扫均以“7”档速度扫。当正扫或反扫到极限位置时，扫描自动停止工作，并且机箱内发出“嘟嘟”声，报警灯也闪亮。（自动扫描也可以由计算机来控制。）2测光仪WDPF-C型测光仪由钨灯电源，光电倍增管负高压模块，光电流放大电路和低压电源及数字显示模块面板表组成。钨灯电源提供钨灯一个稳定的8.5V（6A）电源，钨灯即实验所需的复合光。光电流放大电路用来放大光电倍增管输出的直流信号电流，其放大倍数可由前面板放大调节控制，实验者可根据需求调节一定大小的放大倍数。光电倍增管负高压电源用来供给光电倍增管工作时所必需的负高压，可根据光强信号强弱适当增减。本仪器也可以用计算机来处理光强信号，此时必须将测试仪后面板 “主机/计算机”开关打在“计算机”位置。3光电倍增管光电倍增管的主要功能是将微弱的光信号通过光电阴极转换为光电子，并使光电子数量借助二次发射，从而得到倍增放大。如图4所示为光电倍增管的示意图。 图4 光电倍增管示意图其中K光电阴极； D聚焦极； D1-Dn倍增极； a阳极。工作原理如下：光照射在光电倍增管上，光电阴极在入射光的激发下逸出光电子，该光电子在电场被加速后打到第一倍增极D1上，然后又在高速初级电子的激发下，D1产生二次电子发射，这些电子又被电场加速并入射到D2上，激发出更多的二次电子，最后经倍增的光电子被阳极a收集而输出光电流。 【实验内容】1.调节平面光栅单色仪，启动扫描装置并观察光栅的分光现象。连接平面光栅单色仪和测试仪，放置光电倍增管于出射狭缝处，打开测试仪的电源开关，打开钨灯开关，钨灯发亮，调节钨灯和入射狭缝间的透镜使投射在狭缝的光像清晰。然后，打开平面光栅单色仪的电源，调节所需的扫描速度和扫描方向。接下来，开启测试仪上的高压开关，调节所需高压,一般为500V左右。最后，调节一定的入射狭缝和出射狭缝大小，按测试仪上的光照按钮并调放大调节旋钮在一定的位置，就能在显示窗口读得一定条件下的出射狭缝的相对光强。2.测量钨灯通过光栅（1200条/mm）的光谱的能量分布曲线测量并描绘光谱中波长范围为200nm800nm的光波所对应的相对能量分布包络曲线。并分析其闪耀波长与实验给定值(570nm )是否符合。 3滤光片吸收特性分析 在出射狭缝窗口插入不同的滤光片，滤光片的透光波段范围如下，试分析滤光片吸收特性。（取其中几块进行分析） 名 称材 料透光范围（nm）深紫色滤光片 ZWB1270 390紫色滤光片 EB1 310 460青色滤光片 QB12 360 600黄色滤光片 JB 750橙色滤光片 CB6 756红色滤光片 HB13 762深红色滤光片 HB15 770【思考题】1.本实验中光栅刻线密度为1200条/mm，设刻槽之间的距离为d，则300条/mm刻槽之间距离为多少？2.如果光强显示值超出仪器能显示的范围，主要由哪些原因造成的？如何解决？3