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1、光栅光谱仪实验报告作者:日期:光栅光谱仪的使用学 号 201 5 212822学生姓名张家梁专业名称应用物理学通信根底科学所在系院理学院2021年3月14 日光栅光谱仪的使用张家梁1实验目的1. ?了解光栅光谱仪的工作原理.2. ?学会使用光栅光谱仪.2实验原理1. 光栅光谱仪光栅光谱仪结构如下图.光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅.入射狭缝和出射狭缝分 别在两个球面镜的焦平面上 ,因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上,衍 射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上.光栅可在步进电机限制下旋转,从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长.限制入射光源的波长范围,保证衍射光无级次重叠,可通过
2、限制光栅的角度唯一确定出射光的波长.光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和C CCD 等多种,经过光栅衍射后,到达出射狭缝的光强一般都比拟弱,因此本仪器采用光电倍增管和CCD 来接收出射光.2.光探测器光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器,它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成,并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极一一打拿极又称“倍增极一一阳极之间建立一个电位分布.光辐射照射到阴极时,由于光电效应,阴极发射电子,把微弱的光输入转换成光电子 ；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦,光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极,产生二次电子
3、,由于二次发射系数大于1 ,电子数得到倍增.以后,电子再经倍增系统逐级倍增 ,阳极收集倍增后的电子流并输出光电流 信号,在负载电阻上以电压信号的形式输出.1MV120ftV200V 500V IIOV 艸 tfV HOtV卵VZOOV40* 600V IMV 100V吒砲倍堺港的丁作原理K-北阴极：F聚隹檢山m拿桅：APH槌.CC D是电荷耦合器件的简称,是一种金属一氧化物一半导体结构的新型器件,在电路中常作为信号处理单元. 对光敏感的 CCD常用作图象传感和光学测量.由于CC D 能同时探测一定波长范围内的所有谱线,因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用.3. 闪耀光栅在光栅衍射实验中,我们了解
4、了垂直入射时=9 0 光栅衍射的一般特性.当入射角=90 时,衍射强度公式为sin .Vv； i-rSit) V光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定,只不过此时u = (sin0 + sin)v= (sin + sin?)at屮圖辰射龙權礼|科当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时,衍射角B取+号,异侧时取-号.单缝衍射中央主极大的条件是u= 0,即sin Q=s in 0或=ft将此条件代入到多缝干预因子中,恰好满足v =0,即 0级干预 大条件.这说明单缝衍射中央极大与多缝衍射0级 大位置是重合的图9.1a,光栅衍射强度 大的峰是个波长均不发生散射的0级衍射峰,没有实用价值.
5、而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低.为了提升信噪比,可以采用锯齿型的反射光栅 又称闪耀光栅.闪耀光栅的锯齿相当于平与锯齿角度、形状无关.面光栅的“缝.与平面光栅一样,多缝干预条件只取决于光栅常数,所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时,两者0级极大的角度也一样.闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝,衍射条件与齿面法线有关.,中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法 线N,于是造成衍射极大与0级干预极大方向不一致.适当调整光栅参数,可以使光栅衍射的某一波长强峰发生在1级或其它高级干预极大的位置.图是平面光栅和闪耀光栅衍射 各级谱线强度示意图.厂1fH = 7M=0 ZW=1in = 0 m - m
6、2两神类型光矚各级谱线强復水趙 m平面光柵 机闪锚光Ml 闪耀光栅是许多光栅光谱仪中采用的色散器件.3实验步骤1. 粗调狭缝宽度.不翻开光谱仪限制箱电源,取下入射狭缝前的光源,调节入射狭缝的缝宽,直接观察狭缝宽度的改变.先顺时针调节,观察狭缝宽度逐渐增大,然后减小狭缝 宽度至狭缝刚好完全关闭.后,调节缝宽至约 0.50m m.同样,调节出射狭缝至0 .5mm.注意,出射狭缝后挂接着光电倍增管,光电倍增管只能接收微弱光强,不可在室内照明强度下使用,因此实验过程中不可取下光电倍增管.2. 寻找狭缝的零点误差.狭缝宽度由微分头调节,存在零点误差,我们可通过实际现象来判断.翻开光谱仪电源限制箱和计算机
7、,启动光谱仪软件.将溴钨灯安装到入射狭缝处灯的前端接口与狭缝是配套的,可直接挂上,翻开溴钨灯电源,调节电流至 大.调节负高压至 3 0 0 V,设在软件 “参数设置中选择工作模式为“能量,间隔1.0 0nm,工作范围即起始波长和终止波长为 20 0 -6 6 0 nm,采集次数为 25,其它参数不变.点击菜单“定点按钮,弹出的对话框中设置波长500nm和扫描时间60 s,设置后仪器将自动扫描至500nm 处连续测量光强,6 0 秒后停止.在扫描过程中,分别调节入射和出射狭缝,可即时看到出射光强的变化.保持出射狭缝0.50 m m 不变,减小入射狭缝,使光强刚好减小至零或小到不变,光强一般至少小
8、到1 0 以下,此临界位置即为入射狭缝的零点.同样,调节入射狭缝至 0. 50mm并保持不变,逐渐减小出射狭缝,使光强刚好减小至零或小到不变,此临界位置即为出射狭缝的零点.记录零点误差.3. ?用钠灯双黄线校正光谱仪. 点亮钠灯,使其对准入射狭缝,调节入射狭缝为 0.4 0 mm , 出射狭缝为 0. 2 0m m,工作范围 580 60 0 n m,间隔0.0 1 nm,负高压约 3 00V,选择 存放器1.点击“单程开始扫描,扫描结束后,如果谱线的最大值小于 2 00或者大于95 0,那么适当增大或减小负高压以后所有的谱线都要满足这个条件,不再赘述,再次扫描.得到适宜的谱线后,用软件的自动
9、或半自动寻峰功能找到两条谱线,并与理论值比拟,如果误差超过 1 nm,那么用软件的修正功能予以修正.4. 量高压汞灯光谱入射狭缝为0.40mm,出射狭缝为 0. 20m m,2 0 0-630nm,间隔0 .1nm,负高压与钠灯相当,选择存放器2,寻峰,记录波长和相对光强.与理论值比拟,作标准值-测量值曲线图,并得出光谱仪的波长修正公式；5. 测量氢或者氢氘原子光谱.氢灯灯管很细,注意尽量对准狭缝,负高压预设 6 00 V,如没有谱线,应左右移动氢灯使其对准狭缝再测分三段测量,650-6 6 0nm, 4 8 0 50 0nm,380-440 n m,间隔0.01 n m,分别选择存放器 3、
10、4、5,寻峰,记录波长和相对光强, 由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数,并与理论值比拟；4实验结果数据1. 出射狭缝的零点：0.185 m m2. 入射狭缝的零点：-0 .01 9 mm3. 钠光灯校正光谱仪的波长：波长Nnm寻峰所得数据:1E3S3 4111. a353, 93?. 43433 . Z4H.1464Uti. 44Z. f4XE附 3e545. 7目3启1s576. 842 7579. 149.65.氢原子光谱:400350400450500550600650700波长Mnm)6溴钨灯滤色片透过率曲线：5数据处理1用汞光灯谱数据,作入理一入散散点图,拟合并得到曲线
11、公式600550Eq nationy = a + b*xIntercept4.35862 ?0.Slope0 99263 ?2.Residual Sum0 03819Pearson s r1R-Square(CO1Adj. R-Square1500450400350350400450500550600测量波长A(nm)2作滤色片的透过率曲线波长入口币6实 验 总 结本次实验作为这学期的第一次实验,难度算一般,唯一的缺点在于本次实验比拟费时间,而且反复性较强,一次成功比拟难,故需要有一定耐心.这次实验学习使用了光栅光谱仪并且对光谱有了 一定的了解,并且了解了光栅光谱仪的原理,在数据处理上o rigi n la b的使用还不够熟练,需要探索并做到使用流畅,总之本次实验比拟顺利.7参考文献1杨胡江、肖井华、尚玉峰、程洪艳近代物理实验讲义M P6 064北京邮电大学理学院物理实验中心2 多功能光栅光谱仪单色仪：3光栅光谱仪的定标：错误！未定义书签.4 杨晓冬,李正灯,李惠玲,周杰,钟远聪光栅光谱仪入射与岀射狭缝宽度对测量谱线线宽影响研究?嘉应学院学报?,20 0 8, 26 6: 38-41