光栅单色仪的调整和使用

1、 实 验 报 告6 系 08 级 学号 姓名 日期 2010-4-13光栅单色仪的调整和使用1666年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。棱镜

2、单色仪和光栅单色仪的优缺点的比较是：棱镜的工作光谱区受到材料的限制，光的波长小于120nm，大于50mm时不能用棱镜分光。光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率与波长有关。棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。可是光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没有。本实验的目的是了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。 实验原理一、 光栅单色仪的结构和原理如图1 所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。单色仪的光源有：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气

3、）、 电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。分光系统透镜光源接收系统PMTM2GM1S1：入射狭缝 S2：出射狭缝 M1：离轴抛物镜G：闪耀光栅 M2：反光镜 PMT：光电倍增管 S2图1 单色仪的组成图2 光栅单色仪的分光系统S1 光栅单色仪的分光系统如图2所示，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜M1的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。图2 所示为李特洛式系统

4、，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高，更换光栅方便。图3 闪耀光栅的工作原理-qbN入射光fqbd衍射光-qn 分光系统中的光栅是闪耀光栅，以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成光栅，由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是该光栅复制的光栅，它可以将单缝衍射因子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大即几何光学的方向集中了光的大部分能量，这个方向就是闪耀光栅的闪耀方向，使用闪耀光栅可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比。当入射光与光

5、栅面的法线N 的方向的夹角为f（见图3）时，光栅的闪耀角为qb（光栅面和光栅刻槽面的夹角，因此也是刻槽面法线和光栅面法线N和n之间的夹角）。取一级衍射项时，对于入射角为f，而衍射角为q时，光栅方程式为：d(sinfsinq)= l 因此当光栅位于某一个角度时（f、q一定），波长l与d成正比，角度的符号规定由法线方向向光线方向旋转顺时针为正，逆时针为负。几何光学的方向为闪耀方向，所以可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于反射角的方向，即，所以有，光栅方程式改为， 本次实验所用光栅，为每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm1000nm, 刻划尺寸为64´64

6、mm2。当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm。由于此时入射角f0，求得，再代入光栅方程式可以求得当入射角改变时实现不同波长光的闪耀，如时，l587nm，600.5nm，606.3 nm。3 狭缝是单色仪的关键部件，它的宽度范围是03mm，每格为0.005mmW0a/an图4 狭缝宽度与光谱宽度的关系曲线a/an图5 狭缝宽度与光谱分辨率及光谱强度的关系曲线RI121仪器不工作时狭缝开启宽度应放在最小的位置。在调节狭缝宽度时切记不要用力过猛和过快，要仔细缓慢的调到所要求的值。狭缝应该调到它的最佳宽度，为了说明这个问题先作一定的假设，设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源

7、），首先设狭缝为无限细，由衍射理论和实验可知谱线的半宽度约为：，这里l为光的波长，f为离轴抛物镜的焦距，D时由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，当狭缝a逐渐变宽时谱线宽度的变化如图4 所示，图5 为狭缝宽度与光谱的分辨率R和光谱线的强度I的变化。由图5 可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取a=an最好。 根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。理论上它们分别为：式中为光栅的总线数，在本实验中为641200=76800，m为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上

8、光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。图6 光电倍增管的结构图4 光电倍增管结构图4 、单色仪的接收系统在本实验中使用光电倍增管，（也可以使用线阵CCD）。下面说明光电倍增管的原理，它是利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。其主要优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。其主要缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。光电倍增管的基本结构和工作原理如下：当光子打到光电倍增管（简称GDB）的光电阴极K上时，由于光电效应会产生一些光电子

9、，这些光电子在光电倍增管中的电场作用下飞向阳极A，在阴极K和阳极A之间还有n个电极(D1Dn)叫做倍增极，从图中可以看出极间也有一定的电压（几十到百伏），在极间电压的作用下飞向阳极A的光电子被一级一级的加速，在加速的过程中它们以高速度轰击倍增极，使倍增极产生二次电子发射，这样就使得电子的数目大量增加，并逐极递增，最后到达阳极的电子就会很多，形成很大的阳极电流，由于倍增极的倍增因子基本是常数，所以当光信号变化时，阴极发射的电子的数目也随之变化，从而阳极电流也随着光信号发生变化。这样光电倍增管就可以反映光强随时间的变化。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还

10、有稳定性及对环境的要求等。在本实验中高压为-450伏左右。 图 7 单色仪外观图（1）入射狭缝 （2）出射狭缝 （3）出射狭缝前后调节螺钉 （4）波长显示器 （5）手动扫描旋钮 （6）仪器铭牌 （7）扫描速度旋钮 （8）扫描方向开关 （9）扫描启停开关 （10）电源指示灯 （11）报警灯 （12）电源开关 （13）本机/计算机转换开关 （14）前透镜 （15）钨灯 （16）导轨 （17）光电倍增管 （18）测光仪后面板 （19）测光仪前面板 （20）光电头电缆 （21）钨灯电缆 （22）计算机电缆 实验内容：1. 图7 为单色仪的主机的外观结构图，首先熟悉仪器的使用，学会利用测光仪和计算机测量

11、光谱的方法。2. 利用主机上的波长显示器和测光仪上的数字显示测量滤波片的透过率。3. 测量钠灯或汞灯的光谱，并根据钠或汞的分立光谱线的测量计算出单色仪的实际分辨本领。4. 在测量的时候要注意照明光路的调整、入射狭缝宽度和出射狭缝宽度问题。思考题: 1、说明钨灯和钠灯、汞灯光谱的区别和道理。2、为什麽狭缝具有最佳宽度？如何求出狭缝的最佳宽度？3、单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和计算？光栅单色仪的调整和使用波长显示器计算机本机报警灯电源灯手动扫描总开关扫描速度扫描方向扫描启停反正启停PMT1. 熟悉仪器的使用，对照上图了解单色仪主机各开关及旋钮的作用和使用方法， 学会利用测光仪

12、和计算机测量光谱的方法。测光仪正面钨灯高压开关高压光强高压调节放大调节数字显示器0123WDPF-C型测光仪测光仪背面信号转换开关2. 检查单色仪的入射狭缝宽度是否合适。出射狭缝由实验室事先调好不需检查。3. 利用钨灯和主机上波长显示器和测光仪上的数字显示测量通过滤光片的透过率。ab4测量汞灯的576.96nm与579.96nm两条光谱线，并根据这两条分立光谱线计算出单色仪的实际分辨本领R。方法：利用计算机上的“单色仪”应用程序，先设定好当前位置和积分时间，然后利用分段扫描F3测出a和b，估计出l1和l2的值。再利用归峰扫描F5测出精确的l1和l2的值。 1）本实验中用到的一些已知量：单色仪中

13、等效会聚透镜的焦距f=500mm光栅的面积64´64mm2光栅的刻划密度为1200线/mm 2）最佳狭缝宽度的计算： ， D为光栅的宽度， f为等效会聚透镜的焦距。3）理论分辨本领R的计算： m为干涉级次，这里m=1，N为光栅的总线条数。实验仪器：光栅单色仪数据处理:1、 钨灯图像由数据知道，峰值大概处于=590 nm附近，图像呈现先增后减的形态，说明钨灯的强度集中于=590 nm左右的光，由于可见光波长范围大概是400760 nm，处于550650 nm的光颜色大概是橙黄色。这与实际观察经验相符。2、 LED灯图像 由数据知道，峰值大概处于=465 nm附近，图像也呈现先增后减的形

14、态，说明LED灯的强度集中于=465 nm左右的光，可见光中处于460480 nm的光颜色大概是青蓝色。这与实际观察经验大致相符。3、 汞灯光谱和光谱分辨能力的计算ab 由计算机数据知相对光强/cd峰位/nm分辨率594577.16750.2025556579.33000.1875所以，据公式得:，理论值则为，可见测量计算值与理论值相距甚远。误差分析：1、 理论值之所以和计算值相差如此大，主要由于光学系统的像差和调整误差，杂散光（环境灯光）和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800；2、 从计算机峰位细扫

15、时也可以发现，峰存在一定的波动，这表明外界杂光影响了输入光的稳定，从而引起误差；3、 实验中，多次使用计算机测量汞的峰位时发现，单色仪主机上的波长显示器所显示的波长会渐渐地与计算机显示的波长错开，即两波长逐渐不一致，这也引起了误差。 实验心得：1、 扫描速度不宜太快，扫描过程中，待接近记录点时，要注意观察，在记录点处将扫描启停开关掰至“停”位置，并且停留片刻，待测光仪所显示的数据大致稳定后再进行记录，以减小测量误差；2、 在做汞灯实验时，不要忘记将测光仪后面开关掰至“开”，并将本机/计算机开关掰至“开”，否则计算机无信号输入；3、 实验过程中，入射狭缝处的旋钮要旋至适当位置，使得狭缝大小适当，

16、则输入光强适当，切勿胡乱旋转使得狭缝关闭，否则无输入信号，会导致数据记录出错，或者无输入导致计算机找不到峰位；4、 三个实验过程中，要调节好光源透镜单色仪入射狭缝三者的相对位置，使得单色仪上显示的数据适当，防止数据溢出。思考题：a) 钨灯和钠灯，汞灯的发光机制不同，电离产生的钨灯光是能量连续的，而电子跃迁发生的汞、钠灯光能量是离散的，所以它们的光谱有连续和分立的区别。b) 由衍射理论和实验可知谱线的半宽度约为：，这里l为光的波长，f为离轴抛物镜的焦距，D时由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，图5为狭缝宽度与光谱的分辨率R和光谱线的强度I的变化。由图5可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取a=an最好。W0a/an图4 狭缝宽度与光谱宽度的关系曲线a/an图5 狭缝宽度与光谱分辨率及光谱强度的关系曲线RI121c) 理论分辨本领R的计算： m为干涉级次， m=1，N为光栅的总线条数。则R=mN。实际分辨本领的测量和计算：测量汞灯的577.1675nm与579.3300nm两条光谱线，并根据这两条光谱线计算出单色仪的实际分辨本领R。原理和操作如下：用实验计算机上的“单色仪”应用程序，进去