測定光源的輻射能譜

測定光源的輻射能譜光源作為科學(xué)研究中的認識工具和工程技術(shù)中的照明器件有著廣泛的應(yīng)用，在物質(zhì)成份分析、結(jié)構(gòu)研究、檢驗和光學(xué)測量等方面都是必不可少，而且在很多情況下，住住起著關(guān)鍵的作用。激光作為目前最好光源，它的出現(xiàn)為現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域帶來的一系列巨大的變化正說明了這一點。因此，我們在解決實際問題時，必須對光源的性能有所了解，為正確選擇光源提供技術(shù)依據(jù)，以保證成功地達到所預(yù)期的目的。本實驗利用WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀及二級標(biāo)準光源研究光源的光譜特性一輻射能譜。本實驗所使用的主要儀器一WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀是集光學(xué)、精密機械、電子學(xué)、計算技術(shù)等多學(xué)科知識于一體的智能化測量儀器。通過本實驗可使學(xué)生對計算機在物理實驗中的應(yīng)用有較深刻的了解，為進一步了解各種現(xiàn)代光譜儀器的工作原理奠定良好的基礎(chǔ)。一、 實驗?zāi)康牧私廨椛涠葘W(xué)的一些基本概念；了解光源的光譜特性及標(biāo)準光源、二級標(biāo)準光源的概念；了解單色儀、光電倍增管的結(jié)構(gòu)、工作原理和方法；學(xué)習(xí)測定光源的光譜特性一輻射能譜曲線的原理和方法；對計算機在物理實驗中的應(yīng)用有較好的了解。二、 儀器用具二級標(biāo)準光源（鎢帶燈），待測光源（漠鎢燈，日光燈，半導(dǎo)體激光器），汞燈，WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀，計算機，打印機。三、實驗原理1.基本概念（1）光源輻射通量、輻射度及輻射能譜強度輻射通量（功率）：光源在單位時間輻射出的輻射能量，其單位為瓦特。強度輻射度：光源上單位面積在單位時間輻射出的輻射能量，其單位為瓦特每平方米。輻射能譜：給定光源只能輻射出一定波長范圍內(nèi)的光，且所輻射出的不同波長的光的輻射通量亦不同，光源輻射通量隨波長的分布稱為光源的輻射能譜（亦稱光譜能量分布），記為E（）（亦稱光譜能量分布），記為E（）。（2）標(biāo)準光源及其輻射能譜圖1黑體及鎢帶燈的相對輻射能譜標(biāo)準光源：已知輻射能譜分布的光源稱為標(biāo)準光源，理相的標(biāo)準光源是絕對黑體。其相對輻射能譜如圖1所示。（3）光源的發(fā)射率、二級標(biāo)準光源及其輻射能譜發(fā)射率：其它光源和物體都是非黑體，它們的輻射本領(lǐng)都小于黑體。通常把非黑體光源在一定溫度下的輻射度與黑體的輻射度之比稱為該光源的發(fā)射率，記為￡（人）。二級標(biāo)準光源及其輻射能譜：作為標(biāo)準光源的黑體其制作和使用都比較復(fù)雜。鎢絲是非黑體，它在某一溫度下的輻射能譜與同一溫度下黑體的輻射能譜形式相同，只是輻射度比黑體小，其相對輻射能譜如圖1所示。因此，在要求不高的情況下，通常用溫度等于2800K的鎢帶燈作為二級標(biāo)準光源。二級標(biāo)準光源一鎢帶燈的輻射能譜：E鎢（》之值可由黑體的輻射能譜E黑體（力）及鎢帶燈的光譜發(fā)射率￡鎢（人）求得，即E（）=E黑體（"￡鎢（》 （1）或給標(biāo)定過的鎢帶燈通以額定電流，由鎢帶燈出廠時附帶的數(shù)表直接查得。測定給定光源的輻射能譜（1）測量裝置圖2實驗裝置框圖實驗裝置框圖如圖2所示。光柵單色儀作為分光儀；光電倍增管作為光探測器；電控系統(tǒng)在計算機軟件的控制下，為單色儀的掃描系統(tǒng)及光電倍增管提供驅(qū)動電壓及負高壓，并將光電倍增管所探測的光電壓信號進行處理后送入A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；計算機的軟件系統(tǒng)與A/D圖2實驗裝置框圖光柵單色儀光柵單色儀是能將復(fù)色光分解成一系列獨立單色光的分光儀器。其原理光路圖如圖3所示。入射到光柵單色儀的復(fù)色光經(jīng)入射狹縫S1后投射到球面反射鏡M］上，S］處于M1的焦平面上，因此，經(jīng)球鏡M1反射后的光束為平行光束，這平行光束經(jīng)平面光柵G分光后，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面反射鏡m2,球鏡m2起照相物鏡的作用，將這些平行光束經(jīng)平面鏡M3反射后成像于它的焦平面上，從而得到一系列的光譜。出射狹縫位于球鏡m2的焦平面上，根據(jù)它開啟的寬度大小，允許波長間隔非常狹窄的一部分光束射 圖3光柵單色儀原理光路圖

出狹縫S2,當(dāng)光柵按順時針方向旋轉(zhuǎn)時（在本實驗中光柵的旋轉(zhuǎn)是由計算機來控制的），可以在狹縫s2處得到光譜純度高的不同波長的單色光。這樣單色儀就起到了將入射的復(fù)色光分解成一系列獨立單色光的作用。光電倍增管圖4光電倍增管及直流工作電路光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的能將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓怆娖骷Ｆ浣Y(jié)構(gòu)及工作電路如圖4所示。光電倍增管內(nèi)有一個陰極K，若干個二次發(fā)射極D1、D2、D3、…、Dn和一個陽極A。使用時，利用如圖所示的電路給各電極間加上合適的直流電壓（本實驗中是由計算機控制電控系統(tǒng)來提供的），形成極間電場。當(dāng)陰極受到合適頻率光照射時就會發(fā)射電子，這一初級電子被極間電場加速而轟擊二次發(fā)射極D1，使D1發(fā)射出更多的次級電子，這些電子再被極間電場加速而轟擊d2，d2再發(fā)射出更多的次級電子。電子數(shù)就這樣逐級遞增，最后到達陽極的電子數(shù)可達原來的數(shù)百萬倍，在電路中形成較大的與照射輻射通量成正比的電流（或電壓），這樣就起到了將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕淖?。通過測量光電倍增管輸出電流（或電壓）圖4光電倍增管及直流工作電路光電倍增管比一般光電器件（如光電管、光電池、光電二極管等）的靈敏度高得多，微弱的光照就能產(chǎn)生較大的陰極電流。因此，使用光電倍增管時，要嚴格避免強光照射，測量時要特別防止雜散光的影響。當(dāng)光電倍增管加上高壓電源后，即使處在完全暗的環(huán)境，陽極電流仍不為零，這一電流稱為暗電流。暗電流與周圍雜散光的影響應(yīng)在測量中予以扣除。電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)由三部分電路組成，其功能是：為光電倍增管產(chǎn)生負高壓的電路；對光電倍增管輸出的電壓信號進行預(yù)放大的前置放大電路；為單色儀提供驅(qū)動電壓的驅(qū)動電路。這三部分電路都是在A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所輸出的數(shù)子控制信號的控制下工作的。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的作用是將光電倍增管輸出的經(jīng)電控系統(tǒng)處理的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)子電壓信號送入計算機，同時將軟件產(chǎn)生的數(shù)子控制信號送入電控系統(tǒng)以控制單色儀的掃描系統(tǒng)及光電倍增管的負高壓。軟件功能軟件的基本功能是：設(shè)置光譜儀的工作方式及測量條件。測量條件包括測量能量范圍、波長范圍及波長間隔、前置放大電路的增益值；根據(jù)設(shè)置的測量條件產(chǎn)生對電控系統(tǒng)三部分電路的數(shù)子控制信號以控制單色儀的掃描范圍和前置放大電路的增益；采集、處理數(shù)據(jù)、繪制曲線并顯示、存儲、打印原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果。（2）測定給定光源的輻射能譜光入射到任何物體上時，在該物體上將會產(chǎn)生反射、吸收和透射.為描述光與物體相互作用的這種特性，通常引入反射率、吸收率及透射率的概念.其中物體對光的外透射率T（X）定義為T（X）=EG）/E0X）式中Et（X）和E0（X）分別為透射輻射通量和入射輻射通量.若用E鎢（人）、E（X）分別表示鎢帶燈及待測光源的輻射能譜，用T單（人）、T管（人）分別表示單色儀及光電倍增管的透射率.則根據(jù)外透射率的定義,當(dāng)以鎢帶燈為光源時，計算機所測得的電壓值U鎢（人）與E鎢（人）、T單（人）、T管（人）以及單色儀狹縫寬度所對應(yīng)的光譜寬度d人成正比，即TOC\o"1-5"\h\zU鎢閃8E鎢仇）-T單仇）-T管°）-辦 （2）當(dāng)以待測光源作為光源時，計算機上所測得的電壓值U（X）則與EQ）、T單（人）、T管（人）、d人成正比，即U（k）"E（k）-T單（入）-T管閃?辦 （3）如果上述兩次測量時測量條件完全相同,即使用相同的單色儀、光電倍增管及狹縫寬度，則在兩次測量中T單（人）、T管（人）與d人都是相同的.將式（17）除以式（16）得E（X）=E鎢（A）?U（k）/U鎢（A） （4）因此，只要利用上述裝置分別測出不同光源時光電倍增管的輸出電壓值，由式（4）即可得待測光源的輻射能譜E（A）.四、實驗內(nèi)容單色儀初始化（1） 先接通電控系統(tǒng)的電源，然后再啟動計算機。（2） 執(zhí)行應(yīng)用程序“WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀”，根據(jù)屏幕提示對單色儀進行初始化。用汞燈的已知波長的光譜校準光譜儀的波長計數(shù)（1） 設(shè)置參數(shù)：根據(jù)汞燈的光譜及能量范圍，設(shè)置光譜儀的工作參數(shù)。光譜儀的工作參數(shù)主要包括：單色儀入射、出射狹逢寬度，倍增管負高壓，工作方式（模式，波長間隔）、工作范圍（起始和終止波長，能量的測量范圍）、工作狀態(tài)（增益，采集次數(shù)）。（2） 接通汞燈電源，使其發(fā)出的光直接照射在單色儀的入射狹縫上。（3） 測定汞燈的U汞（入）之值：選擇主工具欄中的單程則開始測汞燈的能量譜（其測量結(jié)果顯示在工作區(qū)中）。（4） 波長修正：選擇主菜單中讀取數(shù)據(jù)中的尋峰功能（自動），將尋峰結(jié)果的峰值波長值與標(biāo)準波長值相比較，若有差別，則選擇主菜單中讀取數(shù)據(jù)的波長修正功能，并根據(jù)屏幕提示輸入修正波長值。測定光源的輻射能譜（1） 設(shè)置參數(shù)：根據(jù)待測光源的光譜及能量范圍，設(shè)置光譜儀的工作參數(shù)。（2） 測定次級標(biāo)準光源（鎢燈）的U鎢入）之值并保存之。（3） 測定待測光源的U（入）之值并保存之。測定三種待測光源（漠鎢燈，日光燈，半導(dǎo)體激光器）的輻射能譜。數(shù)據(jù)處理（1） 利用應(yīng)用程序“WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀”主菜單中的數(shù)據(jù)圖形處理（D）功能，根據(jù)公式（4）計算E（入）之值（E鎢（入）的數(shù)據(jù)文件已存于計算機中）。（2） 打印出E（入）