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1、 光栅光谱仪的使用 学 号 22 学生姓名 张家梁 专业名称 应用物理学（通信基础科学）所在系（院）理学院 2017 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 光栅光谱仪结构如图所示。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。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和 终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅的角度唯
2、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 CCCD 等多种，经过光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，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打拿极(又称“倍增极”)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，由于二次发射系
3、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。CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物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 CCD 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，我们了解了垂直入射时（=90）光栅衍射的一般特性。当入射角=90时，衍射强度公式为 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 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角取号，异侧时
4、取号。单缝衍射中央主极大的条件是 u=0，即 sin=-sin 或=。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足 v0，即 0 级干涉 大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射 0 级 大位置是重合的（图），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。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。为了提高信噪比，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面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状无关。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
5、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 级干涉极大方向不一致。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 级或其它高级干涉极大的位置。图是平面光栅和闪耀光栅衍射各级谱线强度示意图。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。不打开光谱仪控制箱电源，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。同样，调节出射狭缝至。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
6、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。打开光谱仪电源控制箱和计算机，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），打开溴钨灯电源，调节电流至 大。调节负高压至 300V，设在软件“参数设置”中选择工作模式为“能量”，间隔，工作范围（即起始波长和终止波长）为 200-660nm，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（60s），设置后仪器将自动扫描至 500nm 处连续测量光强，60 秒后停止。在扫描过程中，分别调节入
7、射和出射狭缝，可即时看到出射光强的变化。保持出射狭缝 不变，减小入射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变，光强一般至少小到 10 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 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，出射狭缝为，工作范围 580-600nm，间隔，负高压约 300V，选择寄存器 1）。点击“单程”开始扫描，扫描结束后，如果谱线的最大值小于 200 或者大于 950，则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
8、述），再次扫描。得到合适的谱线后，用软件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线，并与理论值比较，如果误差超过 1nm，则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，出射狭缝为，200-630nm，间隔，负高压与钠灯相当，选择寄存器 2），寻峰，记录波长和相对光强。与理论值比较，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 600V，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，650-660nm，480-500nm，380-440nm，间隔，分别选择寄存器 3、4、5），寻峰，记录波长和相对光强
9、，由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数，并与理论值比较；4 实验结果数据 1.出射狭缝的零点：2.入射狭缝的零点：3.钠光灯校正光谱仪的波长：4.高压汞灯光谱：校正前 校正后 寻峰所得数据：5.氢原子光谱：380nm-440nm：480nm-500nm：650nm-660nm：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，作散点图，拟合并得到曲线公式 2.作滤色片的透过率曲线 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较费时间，而且反复性较强，一次成功比较难，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 origin lab 的使用还不够熟练，需要探索并做到使用流畅，总之本次实验比较顺利。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 P6064 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:杨晓冬，李正灯，李惠玲，周杰，钟远聪 光栅光谱仪入射与出射狭缝宽度对测量谱线线宽影响研究 嘉应学院学报,2008,26(6):38-41