33光栅单色仪的使用实验

1、实验33光栅单色仪的使用光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以把紫外、町见及红外三个 光谱区的复合光分解为单色光，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：町以进行光谱化学分析，如原子吸收光谱、萤光光谱、拉 曼光谱、激光光谱的定性及定届分析。同时还可以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、光栅的集光效率等。【预习提要】（1）复习光栅衍射的有关原理。（2）了解WDP5OO-2A型平面光栅单色仪的结构和使用方法。（3）光电转换有哪些方式？【实验要求】（1）学习光栅单色仪的原理。（2）了解如何获得校正曲线。（3）了解光电式传感器

2、的丁作原理。【实验目的】（1）用光栅单色仪测波长。（2）学会光栅单色仪的定标方法。【实验器材】WDP5OO-2A 平而光栅单色仪，高压汞灯或低压汞灯，凸透镜，移测显微镜，光探测 器，光电流（压）放人器。【实验原理】（一）光栅单色仪工作原理1. 光学系统如图4-33-1所示，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝$上。$位厂离 轴抛物镜昭的焦平面上。光经过岡平行照射到光櫥G上，经过光橱衍射回到M“再经 反光镜会聚到出射狭缝S?上。宙丁光栅的分光作用，从出射狭缝出來的光线为单色光。 当光栅转动时，从出射狭缝将依次出现由短波长到长波长的单色光。2. 光栅单色仪的结构WDP5OO-2A型平面光栅

3、单色仪的结构如图4-33-2所示。光栅单色仪内光栅角度的改变是宙打描手轮來完成的。打描分手动担描和口动打描两 种当需要用打描时,将手轮向里推,然后转动手轮寻找到需耍的波长：、丫尙要自动图4-33-1光学系统图J入射狭缝：S?出射狭缝：Mf 轴抛物镜：5光栅：反光镜：冏一滤光片图4-33-2仪器结构图1 一入射狭缝；2出射狭缝：3出射狭缝询后调节螺钉：4波长显示器：5- F动打描F轮：6仪器铭 牌：7扫描速度旋钮：8打描方向开关：9一扌I描川停开关：10电源指示灯：11 一报警灯：12电源 开关：13木机/计算机转换开关；14 一前左系统打描时，将手轮向外拉出，将“本机/计算机”转换开关置“本机

4、”位，将“打描启停” 开关扳至“启”位,自动扫描即开始工作。自动扫描是由步进电机带动的,步进电机由信 号发生器控制，电路给出不同的频率,就可以得到不同的扫描速度。“扫描速度”的“1” 档为低速档，“7”档为高速档。“打描方向”置“正”打描，打描波长由短波到长波；置“反” 扫描,扫描波长由长波到短波。“正”扫描能由到“7”变速工作，“反”扫描不能变 速，即不论“打描速度”置何档，反扌J描均以“7”档速度扌*1描。片正打描或反打描至极限 位置时,扫描自动停止工作,机内音响器发出“嘟嘟”声，报警灯也闪亮，告知操作 者打描已到极限位置。如果口动打描希里由计算机來控制，则除了在后板输入控制信兮外, 面板

5、上的“本机/计算机”转换开关应置于“计算机”位，“扫描启停”置于“启”位;此 时步进电机的启停和打描方向、打描速度均由计算机控制，面板上仃关控制旋忸和开关以 及扫描限位报警等均失去作用。3. 光栅单色仪的定标光栅单色仪是通过转动打描手轮來改变光栅的饬度，从而将分解出来的单色光，依次 从出射狭缝照出。所得单色光的波长苴接町由波长眾示器读出。但光栅单色仪经过运输、 长期使用或重新装调后,其波长显示器的读数与实际所测单色光的准确波长值有偏离,通 帘就需要对光栅单色仪进行直新定标，即用一些已知波长、谱线宽度较窄的光照亮入射灰 缝几 转动扌I描手轮让这些光按波长顺序依次从出射狭缝比照出，读出波长显示器上

6、相应 的指示值乩再利用已知波长的准确值，町以作出光栅单色仪的校准曲线。有了校准曲线, 在测駁其他光波波氏时，就町以利用校准曲线，将波长显示器上的读数作相应的修正，紂 到所测光波波K的准确值。在实验室屮常用高压汞灯作为己知的标准光源，X 4-33-1给出 了高压汞灯在可见光波段的主要谱线。表433-1波长与相对强度的对照表颜色波长（nm）相对强度颜色波长（nm）相对强度红708.19690.75极弱强绿536.51535.41弱671.65弱青496.03弱623.44491.60 7橙612.33 J强度相近435.84 J强607.26董434.75弱588.96弱433.92587.20弱

7、410.84黄585.94弱紫407.78 V次强579.07 J强404.66 J强576.96 J强398.40绿567.59546.07 J弱强紫外390.64389.39儿乎看不见（二）光电式传感器的工作原理光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。瓦物理基础是光电 效丿'讥 它在现代测杲与控制系统中，应用非常广泛。用光电器件测彊非电晟时，首先耍将非电駅的变化转换为光晟的变化，然后通过光电 器件的作用，就可以将非电量的变化转换为电量的变化。在光线作用卜使物体的电子逸出表而的现彖称为外光电效应，如光电管、光电倍增管 就属j:这类光电器件。在光线作用卜能使物体电阻率

8、改变的现象称为内光电效如光敏 电阻等属这类）t电器件。在光线作用卜能使物体产生淀方向的电动势的现彖，称为阻 挡层光电效应，如光电池、光敏晶体管等属这类光电器件。阻扌当层光电效应即光生伏打 效应。在本实验中我们采用光电池和光敏二极管作光电探测器。由光电器件响丿垃快，结构简单，而H有较高的町靠性等优点，在自动测试中得到广 泛的应用。1. 光电式传感器的原理框图图4-33-3光电式传感器原理框图 289 # 2. 光敏二极管（1）工作原理光光敏二极悽的结构与一册二极管相似，装在透明玻璃外壳中（见图4-33-4）,它的PN 结装在管顶,可直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态,如图

9、4-33-5 所示。光NP图433二 光敏二极管结构简化模型和符号图4-33-5光敏二极管在电路中的接法光敏二极管在电路屮处r反向偏覽，在没有光照射时，反向电阻很人，反向电流很小 （这个反向电流称为暗电流）。反向电流小的原因是在PN结中，P型中的电子和N型中的 空穴（少数我流子）很少.当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生 光生电子和光生空穴对.使少数载流子的浓度人人增加，因此通过PN结的反向电流也随 # 着増加。如果入射光照度变化，光生电子一空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电 流强度也随之变动，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。光敏晶体管与一般晶体管很相似，都

10、具何两个PN结。它在把光信号转换为电信号的 同时，又将信号电流加以放大.NPN型光敏晶体管的结构简化模型和基本电路如图4334 所示。当集电极加上相对发射极为正的电压而不接甚极时，基极一集电极结就是反向偏 斥。肖光照射在基一集结上时，就会在结附近产生电子一空穴对，从而形成光电流，输入 到晶体管的垄极。由某极电流增加，使集电极电流是光生电流的B倍，所以光敏晶体管 有放人作用。光做晶体管的结构与普通晶体管十分相似，不同的是光敏晶体管的甚极常常不接引线。 实际上许多光敏晶体管仅有集电极和发射极两端竹引线，尤其是硅半面光敏晶体管，因为 其泄漏电流很小（小T 109A）,因此一般不备基极外接点。（2）光

11、谱特性光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图4337所示。从曲线町以看出，为入射光的 波长増加时，柑対只敏度要卜降。这是很容易理解的，因为光子能戢A小，不足以激发电III光（U）粘沟面化轉腎291#图4-33-6 NPN型光敏晶体管简化模型和基本电路子空穴对。当入射光的波长缩小时，相対灵敏度也卜降，这是由光子在半导体表面附近 就被吸收，透入深度小，在表面激发的电子空穴对不能达到PN结，因而灵敏度卜降。由图4-33-7硅和猪光敏二极（晶体）管的光谱特性曲线#图4337可知,硅光敏管（含二极晶体管,以下同）的响应光谱的长波为llOO.Onin,褚为1800.0nni,而短波一般在4OO.O5OO.O

12、nm附近。两苕的峰值波长约为900.0nm和1500.0nm,#因为错管的暗电流较人，因此性能较差，故在町见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅 管。但在红外光进行探测时，则错管较为适宜。本实验中采用的是硅管。3. 光电池光电池在冇光线作用卜实质上就是电源，电路中冇了这种器件就不再需要外加电源。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、错光电池、硅光电池、磷化傢光 电池等。其中最受巫视的是硅光电池，因为它的一系列优点，例如稳定性好、光谱范阳宽、 频率特性好、换能效率高、耐高温辎射等。木实验中采用的是硅光电池。（1）工作原理光电池是一种肖接将光能转换为电能的光电器件，它有一个人面枳的PN结。当

13、光照 射到PN结上时，便在PN结的两端出现电动势（P区为正，N区为负）。如果在PN结两端 装上电极，并用一只内阻极高的电压表接在两个电极上，就可发现P区端和N区端Z间存 在着电动势。如果用导线把P区端与N区端连接起來，导线中串接一只电流表（见图4-33-8）, 电流表中就有电流流过。为什么PN结会产生光生伏打效应呢？我们知道，当N型半导体和P型半导体结介在起构成-块晶体时，山丁热运动，N图4-33-8光电池工作原理示意图区屮的电子就向P区扩散，而P区中的空穴则向N区扩散， 结果在P区靠近交界处聚集起较多的电子，而在N区靠近交 界处聚集起较多的空穴，J：是在过渡区形成一个电场。电场 的方向是宙N

14、区指向P区，这个电场阻止电子进一步山N区 向P区扩散、阻止空穴进一步由P区向N区扩散，但是却能 推动N区中的空穴（少数我流子）和P区中的电子（也是少 数载流子）分别向对方运动。当光照到PN结上时，如果光了能慣足够人，就将在PN结区附近激发电了空穴对。 在PN结电场作用卜N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区，结果在 N区就聚枳了负电荷带负电，P区聚枳了正电荷带正电，这样N区和P |x：ZfnJ就出现了电 势差。用导线将PN结两端连接起來，电路中就有电流流过，电流的方向由P区流经外电 路至N区。若将电路断开，就町以测出光生电动势。（2）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。图

15、4-33-9为硅光电池和硒光电池的光谱特 性曲线。从图屮可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的， 硅光电池的光谱响应峰值在800.0nm附近，而硒光电池的光谱响应峰值在500.0nm附近。 硅光电池的光谱响应波长范用从400.0nm 一直延长到12OOO.nm,而硒光电池只能在 38O.O75O.Onm范閑内。可见硅光电池町以在很宽的波长范用内得到比用。（3）光凰特性光电池在不同光照度2光电流和光生电动势是不同的。图43310为硅光电池的开 路电压和短路电流与光照的关系曲线。由图可见，短路电流在很人范围内与光照度成线性 关系；开路电压（负载电阻Rl无限大时）与光照度的关

16、系是非线性的，而且在光照200 Lm 时就趋向饱和了。因此光电池作为测最尤件使用时，应利用短路电流与光照度成线性关系 的优点，把它当作电流源的形式來使用，而不要把它当作电压源使用。光电池的短路电应 是指外接负载电阻相对于它的内阻來说是很小时的电流值。当光电池密対良好、电极引线町靠、应用介理时，光电池的性能是相半稳定的，且使 用寿命很长。备种光电池的性能和寿命均不同，如硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光 电池的性能和茅命除了与光电池的材料及制造工艺令关外，在很人程度上还与使用环境条 件右密切的关系。如在高温和强光照射卜，会使光电池的性能变坏，而且降低使用寿命， 这在使用中要特别注意。0 4000

17、 6000 SOO.O 1000.0 12000 人射光我恢nm_ 亠 38&6O4020 2邸«:去畀200400wnr(k>6 4 2a a Aro图4-33-9光电池的光谱特性曲线图4-33JO硅光电池的开路电压和短路电流293#与光照的关系曲线IS(lx)图4-33-11硅光电池在不同 负裁情况下的光照特性【实验内容】（1）观察实验仪器，看淸各旋钮的作用。（2）调节光源。点亮高床汞灯，调节光源，使光经凸透镜会聚在单色仪 的入射狭缝$处。（3）调节狭缝宽度。接通单色仪电源开关，将$缝宽和址缝宽调到0.5mm 左右。取卜光电探测器用眼睛正对二向单色仪内观察，当 转动

18、“手动打描”手轮时，町以看到单色光。在S?后面加 一移测显微镜，将镜筒正对S?,调焦后町观察到单色光谱。（4）辨认谱线.在正式测灵乞谱线波长Z前，先用眼睛定性观察高斥汞灯的全部谱线即用自动打描, 从红光到紫光，再从紫光到红光进行口动打描，观察高床汞灯的所仃谱线，认准谱线（对 照表4331从谱线的颜色.強弱、谱线间距等方而上辨认）。（5）测量谱线波长。分别将两种光电探测器安装在单色仪的出射狭缝处，缓慢转动单色仪的“手动扌I描” 手轮，注意观察Jt电流（压）放人器的显示衣.当指针读数相对址人时从单色仪的波长显 示器屮读出相应的波长数。高压汞灯的谱线很多，不必全测，只盂将衣4331中较强的那 些谱线测出即可。（6）将光源换成钠光源.测出在590.0nm附近钠光源的波长。【数据处理】（1）将用单色仪测出的*谱线的波长值与表中的标准值进行比较，求出相对误差，分