光學(xué)多道測量光譜

1、光學(xué)多道測量光譜物理 071 班 陳文龍 07180118摘要：利用光學(xué)多道分析系統(tǒng)，在已知光譜的情況下，分析可見光區(qū)的Hg的特征譜線，采 用Hg的404nm和579nm進(jìn)行線性定標(biāo)，然后得到道數(shù)與波長的轉(zhuǎn)換關(guān)系。然后利用所得到的道 數(shù)與波長的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過納光的光譜來測量納光的波長。在此基礎(chǔ)上，通過實驗了解光柵 光譜儀的組成及工作原理，掌握光柵光譜儀分析光譜的方法。 關(guān)鍵詞：光學(xué)多道、光譜、定標(biāo)、道數(shù)、特征譜線引言：光譜學(xué)是光學(xué)的一個分支學(xué)科，主要研究各種物質(zhì)光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作 用。各種光由于產(chǎn)生條件的不同，它們的光譜都具有各自的特征。通過對光譜的研究人們可 以得到：原子、分子

2、等的能級結(jié)構(gòu)、能級壽命、電子組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、 反應(yīng)動力學(xué)等多方面的信息。傳統(tǒng)的光譜測量技術(shù)由于受到光譜分辨率、靈敏度、時間、分析速度的限制，已經(jīng)不適 應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需要。20世紀(jì)60年代激光科學(xué)技術(shù)特別是可調(diào)諧激光技術(shù)的發(fā) 展，新型光譜探測元件及探測技術(shù)的發(fā)展，光電二極管自校準(zhǔn)技術(shù)和微弱光譜信息的接收技 術(shù)和處理技術(shù)以及微處理機(jī)的應(yīng)用，使光譜測量技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了一個革命性的變化，進(jìn)入 了一個新的發(fā)展時期。傳統(tǒng)的攝譜儀、光電分光光度計等光譜儀已逐漸被光學(xué)多道分析儀OMA 所取代。正文：1、實驗原理光學(xué)多通道分析儀原理為平行光束入射到平面光柵G （光柵平面的方位可由精

3、密機(jī)械調(diào)節(jié)）時，將發(fā)生衍射，衍射時有光柵方程：d sin0 二 k九,k 二 0, 1,2式中d是光柵常數(shù)，久是入射光波長，k是衍射級次，e為衍射角。由光柵方程可知，當(dāng)光 柵常數(shù)d一定時，不同波長的同一級主最大，除零級外均不重合，并且按波長的大小，自零 級開始向左右兩側(cè)，由短波向長波散開。每一波長的主最大，在光柵的衍射圖樣中都是很細(xì)、 很銳的亮線。由dsine=kk可知，級次間距對應(yīng)d cos弘0二九,A0二九/（d cos0），當(dāng)角度e較小的時，角度間隔Ae最小，當(dāng)角度e增加時，角度間隔Ae增加。所以光譜排列并非按角度e線性分 布。當(dāng)角度e較小時可以簡化為線性，即可采用線性定標(biāo)，更進(jìn)一步可以

4、從級數(shù)展開的角度 采用 2次、 3 次、或4次定標(biāo)，在本實驗中，我們采用線性定標(biāo)。定標(biāo)：是指在相同的衍射級次（一般取第1 級次）下，采集已知譜線，然后對已知譜線 定標(biāo)，隨即將橫坐標(biāo)由 CCD 的通道轉(zhuǎn)化為波長；在已定標(biāo)的波長坐標(biāo)下，采集未知的譜線， 可直接通過讀取譜線數(shù)據(jù)、讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)或?qū)し宓姆绞将@取未知譜線的波長。定標(biāo)和采集未知譜線必須有相同的基礎(chǔ)，那就是起始波長（或中心波長）。在本實驗中 的起始波長或中心波長是一個參考數(shù)據(jù)，是通過轉(zhuǎn)動光柵到某一個位置來實現(xiàn)的，但由于是 機(jī)械轉(zhuǎn)動，重復(fù)性比較差，因此需要定標(biāo)。定標(biāo)也是有誤差的。定標(biāo)使用譜線位置的遠(yuǎn)近， 以及采用的是幾次定標(biāo)，都會影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)

5、確性。2、光學(xué)多道儀簡介WGD-8/8A型光學(xué)多通道分析器如圖所示，由光柵單色儀、CCD接收單元、掃描系統(tǒng)、電 子放大器、A/D采集單元和計算機(jī)組成。它集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計算機(jī)技術(shù)于一體,可用于分析300nm900nm范圍內(nèi)的光譜。S,處理系綻A/DS,處理系綻A/DS1：入射狹縫Ml：反射鏡M2：反射式準(zhǔn)光鏡M3:物鏡M4：物鏡G：平面衍射光柵 P：觀察窗口(或出射狹縫)入射光線經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為平行光束入射到平面光柵G (光柵平面的方位可由精密機(jī)械調(diào) 節(jié))時，將發(fā)生衍射；衍射后的平行光束經(jīng)凹面反射鏡M3反射后形成光譜，轉(zhuǎn)動光柵G可改 變中心波長，整條譜帶也隨之移動。轉(zhuǎn)開平面M4可使M3

6、直接成像于光電探測器CCD接收位置 上，它測量的譜段與觀察窗口處觀察到的完全一致。光譜出現(xiàn)在觀察窗，還是出現(xiàn)在光電探 測器取決于轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)：當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)位于“CCD檔”時，由CCD傳感器采集光譜信息；當(dāng) 轉(zhuǎn)換開關(guān)位于“觀察檔”時，衍射光束照射到觀察窗口處，可用肉眼直接進(jìn)行觀察。CCD傳感器是WGD-8/8A型型光學(xué)多通道分析器數(shù)據(jù)采集部分的核心，也是整個系統(tǒng)的關(guān) 鍵所在，它的作用是將衍射光譜轉(zhuǎn)換成電信號。利用CCD可以同時采集一定波長范圍內(nèi)光譜中各個波長點的數(shù)據(jù)，若同時將其輸出的電 脈沖信號經(jīng)數(shù)-模(A/D)變換后串行輸入計算機(jī)，可由計算機(jī)對光譜信息進(jìn)行采集、分析 和處理。3、實驗過程根據(jù)實

7、驗裝置圖連好實驗儀器，使光源聚集在多色儀的縫上，適當(dāng)調(diào)節(jié)狹縫的寬度， 但是必須使縫寬在0.22mm的范圍內(nèi)，以免損壞儀器。打開 CCD 的電源，再打開計算機(jī)及計算機(jī)上相應(yīng)的光學(xué)多道分析軟件?？紤]到背 景光線的影響，選擇背景記憶，那么計算機(jī)會將實際采集的譜線與背景相減，獲取真實的譜 線。按“實時采集”按鈕，設(shè)置中心波長為400nm,采集Hg的特征譜線。根據(jù)Hg光 譜的尖銳程度，適當(dāng)調(diào)整光源和透鏡的位置，以及狹縫的大小。 (如果沒看到譜線，只看到 一些噪聲信號，則要適當(dāng)調(diào)整中心波長的設(shè)置，有可能譜線在電腦上你所看到范圍之外)得到較尖銳的光譜后，對照Hg的404.7nm、546.1nm、577nm和

8、579nm四條特征譜線， 由于在計算機(jī)上所能反映的光譜帶寬為150nm-200nm之間，調(diào)節(jié)中心波長為500nm，然后適 當(dāng)左右微調(diào)進(jìn)行修正，直至在屏幕上看到Hg的四條特征譜線為止。由于404.7nm和546.1nm 相差140nm左右，約為屏幕寬度的70%，因此可以確定這幾條譜線就是Hg的上述四條特征譜 線。確定了特征譜線之后，利用這幾條特征譜線進(jìn)行定標(biāo)，將橫坐標(biāo)的道數(shù)轉(zhuǎn)化為波 長顯示。由于采用線性定標(biāo)，我們選擇用404.7nm和579nm兩條譜線。定標(biāo)有自動定標(biāo)和 手動定標(biāo)兩種方法，我們在實驗過程中采用手動定標(biāo)，在“數(shù)據(jù)處理”中選擇“手動定標(biāo)，” 選定404.7nm的譜線，按回車鍵，輸入譜

9、線波長，按“下一點”之后選定579nm的譜線，按 回車鍵，輸入譜線波長，點擊“定標(biāo)”后選擇線性定標(biāo)后，計算機(jī)就根據(jù)Hg的特征譜線來 完成定標(biāo)，將橫坐標(biāo)的道數(shù)顯示轉(zhuǎn)換成波長顯示。(6)測量納光的波長，將Hg燈光源換為鈉燈光源，采集同一波長范圍內(nèi)的待測鈉光的 光譜，在完成實時采集之后，對光譜圖進(jìn)行尋峰(采集鈉光光譜所用的寄存器必須是汞光譜 定標(biāo)所在的寄存器)就可得出同一波長范圍內(nèi)鈉光的波長為585.5nm。4、實驗總結(jié)在實驗操作過程中，由于沒搞懂怎樣定標(biāo)和如何確定 Hg 的特征譜線的方法，導(dǎo)致在實 驗操作過程中遇到了很大的問題，影響了實驗的進(jìn)度。這一問題的出現(xiàn)，反映了我們在實驗 預(yù)習(xí)方面做的還不夠到位。但是，通過實驗老師的指導(dǎo)和同學(xué)間的討論，最終還是解決了