微弱光探測及光譜分析實驗預習報告

1、微弱光探測及光譜分析實驗學號：班級：光電工程142姓名：王和遠1平面光柵的分光原理光學多通道分析器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密機械調(diào)節(jié)）時，將發(fā)生衍射，衍射時有光柵方程：k*lambda=d*sin(theta-theta0)（3.4-1）式中d是光柵常數(shù)，是入射光波長，k是衍射級次，為衍射角。由光柵方程可知，當光柵常數(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，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、很銳的亮線。由dsin=k可知，級次間距對應，當角度較小的時，角度間隔最小，當角度增加時，角度間

2、隔增加。所以光譜排列并非按角度線性分布。當角度較小時可以簡化為線性，即可采用線性定標，更進一步可以從級數(shù)展開的角度采用2次、3次、或4次定標。2譜線定標定標：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，隨即將橫坐標由CCD的通道轉化為波長；在已定標的波長坐標下，采集未知的譜線，可直接通過讀取譜線數(shù)據(jù)、讀取坐標數(shù)據(jù)或?qū)し宓姆绞将@取未知譜線的波長。定標和采集未知譜線必須有相同的基礎，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)，是通過轉動光柵到某一個位置來實現(xiàn)的，但由于是機械轉動，重復性比較差，因此需要定標。定標也是有誤差的。定標使用譜線位

3、置的遠近，以及采用的是幾次定標，都會影響到數(shù)據(jù)的準確性。由于CCD的敏感波長為300nm-900nm，由公式dsin=k可知，得取值為10.432.7之間。我們在測量未知波長時是通過已知的兩個或多個（本實驗儀器最多允許選擇5個已知波長做四次定標）波長定標。定標涉及到以下的問題：（1）參考波長是否可靠參考波長就是光譜采集系統(tǒng)顯示的中心波長或起始波長，該參數(shù)既然是參考波長，一般就有誤差，不準確，差10nm左右都不會對測量結果帶來影響。如果參考波長相差太遠可以考慮修正波長。（2） 參考波長的修正參考波長修正的依據(jù)是特征譜線或可見光譜線。定標一般比較關注特征譜線。人眼的可見光譜線范圍大致在400nm-

4、700nm之間，如果儀器使用起始波長作為參考，可以將起始波長設置為400nm；如果儀器使用中間波長作為參考，可以將中間波長設置為450nm。然后采集譜線，再通過CCD觀察窗觀察譜線的顏色，看是否是我們所需要的譜線。并注意一個屏幕的譜線差范圍在150nm左右，如果兩個譜線的距離明顯大于波長之差，則說明觀察到的應該是二級或更高級次的衍射（由于本儀器感光的限制300nm900nm，我們最多能夠觀察到2級衍射），因此實際波長大于參考波長，修正波長為負；當觀察不到可見光，則說明實際波長小于參考波長，修正波長為正。對波長修正的效果是：如果修正波長為Xnm，則我們所觀察到的譜線將向右移動Xnm，參考波長的標

5、稱值不變。如果修正波長為Xnm，則我們所觀察到的譜線將向左移動Xnm，參考波長的標稱值不變。（3）定標譜線的采集為了避免其他譜線的干擾，可以考慮采集背景光線，計算機會將實際采集的譜線與背景相減，獲取真實的譜線。另外可以通過開關電源，觀察譜線的變化來觀察光源的譜線。譜線采集后，根據(jù)已知的譜線進行定標，定標后將譜線保存，供測量未知譜線使用。為了減少光柵轉動帶來的空回誤差，可以考慮定標完成后，保持光柵的位置不變，采集未知的光譜，然后讀取光譜數(shù)據(jù)。（4）定標譜線形狀的銳化由于光譜是通過CCD采集的，CCD存在分辨能力和飽和問題。當譜線太弱，可以考慮增加入射光的縫寬，來提高入射光強度，這也可能導致較強光譜的溢出，即譜線頂部變平。因此我們可以通過調(diào)節(jié)入射光孔的大小，使我們要觀察的譜線比較適中（主要是頂部比較尖銳）。入射光被多色儀色散后在其出射窗口形成12的譜帶。位于出射窗口處的多通道光電探測器將譜帶的強度分布轉變?yōu)殡姾蓮娙醯姆植?，由信號處理系統(tǒng)掃描、讀出、經(jīng)A/D變換后存貯并顯示在計算機上。圖2是多色儀及光源部分的光路。光源S經(jīng)透鏡L成像于多色儀的入射狹縫S1，入射光經(jīng)平面反射鏡M1轉向90，經(jīng)球面鏡M2反射后成為平行光射向光柵G。衍射光經(jīng)球面鏡M3和M4成像于觀察屏P。由于各波長光的衍射角不同，在P處形成以某一波長0為中心的一條光譜帶，使用者可在P上直觀地觀察