我的使用光学多道仪测光谱实验报告

使用光学多道仪测光谱实验报告

【摘要】

光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金和考古等部门。了解光栅光谱仪的组成及工作原理，掌握光栅光谱仪分析光谱的方法。通过光学多道实验仪，我们可以测量出实验所需的光谱，分析氢，氮，氦，氖等光谱技术，并利用光学多道光谱仪对汞进行定标，从而测量钠光灯的光谱的波长。

【关键词】光学多道光谱波长定标道数特征谱线

【引言】

光谱学是光学的一个分支学科，主要研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用。各种光由于产生条件的不同，它们的光谱都具有各自的特征。光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金和考古等部门。常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。涉及的波段从x射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段。

既然光谱在科学应用中有如此重要的作用，通过对光谱的研究人们可以得到：原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面的信息。那么如何测量二极管的发射光谱，就是本次实验要探讨的问题。对于这个本实验提出的问题，采用光谱测量技术，但是传统的光谱测量技术由于受到光谱分辨率、灵敏度、时间、分析速度的限制，已经不适应科学技术的发展和应用的需要。而20世纪60年代激光科学技术特别是可调谐激光技术的发展，新型光谱探测元件及探测技术的发展，光电二极管自校准技术和微弱光谱信息的接收技术和处理技术以及微处理机的应用，使光谱测量技术的发展产生了一个革命性的变化，进入了一个新的发展时期。从而出现了光学多通道分析，它是集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体的精密仪器，能够更为精确的进行光谱测量。它的结构和工作原理较为复杂，但由于使用了计算机技术而使得操作过程非常方便。本实验通过测量发光二极管发射光谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法。

【正文】

衍射包括单缝衍射，双缝衍射和光栅衍射。它们都可用来测量光波的波长，但由于单缝衍射，双缝衍射在各级衍射的分辨率与亮度存在矛盾，而光栅正好解决了两者间的矛盾，所以实验中大多采用平面光栅来做实验。光栅一般分两类，一类是透射式(见图1)，另一类是反射式(见图2)。透射式光栅是在一块平面透明的玻璃板上刻上平行，等间距又等宽的直痕，刻痕部分不透光，两刻痕间能透光，

相当于狭缝。相邻刻痕间的距离d称为光栅常数。反射式光栅是在镀有金属层的表面上刻划斜的平行等间距刻痕，斜面能反射光。本实验用反射式平面光栅。

图1平面透射光栅图2平面反射光栅

入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成某一波长范围的谱带。位于出射窗口处的多通道CCD将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描并经A/D变换后在计算机上显示出来。

光学多通道分析器的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于反射式准光镜M2的焦面上。光经过反射镜M1反射到M2上，并经过M2反射成平行光束投向平面光栅G，衍射后的光束经物镜M3成像在CCD接收头S2上，或经过转镜M4从出射狭缝射出（观察窗）。由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为多级衍射光。所以在观察屏S3处形成以某一波长为中心的一条光谱带，使用者可在观察屏S3处直观地观察到光谱特征。转动光栅G 可改变中心波长，整条光谱带也随之移动。转开平面镜M4可使M3直接成像在S2光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏S3上看到的完全一致。这种光学系统称为C-T型光学系统，见图3所示。

图3C-T型光学系统图

实验程序之定标

定标涉及到以下的问题:

（1）参考波长是否可靠，参考波长就是光谱采集系统显示的中心波长或起始波长，该参数既然参考波长，一般就是有误差，不准确，差10nm左右都不

会对测量结果带来影响。如果参考波长相差太远可以考虑修正波长。

（2）参考波长的修正。参考波长修正的依据是特征谱线或可见光谱线。定标一般比较关注特征谱线。人眼的可见光谱线范围大致在400nm-700nm之间，如果仪器使用起始波长作为参考，可以将起始波长设置为400nm；如果仪器使用中间波长作为参考，可以将中间波长设置为450nm。然后采集谱线，再通过CCD 观察窗观察谱线的颜色，看是否是我们所需要的谱线。并注意一个屏幕的谱线差范围在150nm左右，如果两个谱线的距离明显大于波长之差，则说明观察到的应该是二级或更高级次的衍射（由于本仪器感光的限制300 nm-900nm，我们最多能够观察到2级衍射），因此实际波长大于参考波长，修正波长为负；当观察不到可见光，则说明实际波长小于参考波长，修正波长为正。我们一般采用抵压汞灯的谱线作为标准普线。汞灯的常见谱线颜色。

对波长修正的感官效果是：如果修正波长为-X nm，则我们所观察到的谱线将向右移动X nm，参考波长的标称值不变。如果修正波长为X nm，则我们所观察到的谱线将向左移动X nm，参考波长的标称值不变。

表1 低压汞灯可见光区的主要谱线波长

波长（nm）404.66 407.78 435.84 546.07 576.96 579.07

相对光强第三强较弱次强最强强强

颜色紫光紫光蓝光绿光黄光黄光

（3）汞的特征谱线

汞三线（365.02 nm，365.48nm，366.30nm），非可见光，本仪器在第1级次衍射不能够准确分开，在第2级次（起始波长700nm）可以分开。

404.66nm和407.78nm，是两条靠得比较近的谱线，与435.84 nm的谱线，可以用在一块定标。

576.96 nm和579.07nm是两条靠得很近的黄色谱线，可以与绿色的546.07nm谱线一块定标。

（4）定标谱线的采集。

定标谱线的采集为了避免其他谱线的干扰，可以考虑采集背景光线，计算机会将实际采集的谱线与背景相减，获取真实的谱线。

另外可以通过开关电源，观察谱线的变化来观察光源的谱线。

谱线采集后，根据已知的谱线进行定标，定标后将谱线保存，供测量未知谱线使用。也就是钠光灯的谱线的波长测量。为了减少光栅转动带来的空回误差，可以考虑定标完成后，保持光栅的位置不变，采集未知的光谱，然后读取光谱数据。

（5）定标谱线形状的锐化。

由于光谱是通过CCD采集的，CCD存在分辨能力和饱和问题。当谱线太弱，可以考虑增加入射光的缝宽，来提高入射光强度，这也可能导致较强光谱的溢出，即谱线顶部变平。因此我们可以通过调节入射光孔的大小，使我们要观察的谱线比较适中（主要是顶部比较尖锐）。

通过光学多道光谱仪所得到的实验数据：

汞元素定标图

钠元素的光谱线

总结思考：

在实验操作过程中，刚开始由于没搞懂怎样定标和如何确定Hg的特征谱线的方法，导致在实验操作过程中遇到了很大的问题，一遍又一遍操作，影响了实验的进度。这一问题的出现，反映了我在实验预习方面做的还不够到位，并没有真正的懂实验的本质。但是，通过实验老师的指导和同学之间的讨论，也算解决了在实验中所遇到的一系列问题，达到了实验的预期目标。总的来说，了解了光学多道实验原理及测量方法，还学会了如何定标等方法，定标就是原来的光谱不标准，通过已知光谱的定标来确定一个标准。同时又可用于测量未知光谱线的波长，也为我们提供了测量波长的一种方法。

参考文献：

[1]近代物理实验讲义.[J] 浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室.2009年9月9日

[2]张天喆、董有尔.近代物理实验.[J]科技出版社.2004年1月

[3]胡再国《光学多道分析仪》