單色儀的調(diào)節(jié)和使用

1、單色儀的調(diào)節(jié)和使用院系：07023姓名：王曦澤學號：pb07210077實驗目的：了解光柵單色儀的原理、結(jié)構(gòu)和使用方法，通過測量鴇燈、鈉燈和汞燈的光譜了解單色儀的特點。實驗原理:、光柵單色儀的結(jié)構(gòu)和原理gm2m1s1pmts2s1:入射狹縫s2:出射狹縫 m1 :離軸拋物鏡g:閃耀光柵 m2:反光鏡 pmt :光電倍增管圖1光柵單色儀的分光系統(tǒng)光柵單色儀的分光系統(tǒng) 如圖1所示， 光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的光束 均勻地照亮在入射狹縫s1上，s1位于離軸拋物鏡m1的焦平面上，光通過 m1變成平行光照射到光柵上，再經(jīng)過光柵衍射返回到 m1 ,經(jīng)過m2會聚到出射狹縫s2,由于光柵的分光作用，從s2出射的光為

2、單色光。當光柵轉(zhuǎn)動時，從 s2出射的光 由短波到長波依次出現(xiàn)。當入射光與光柵面的法線n的方向的夾角為見圖2)時，光柵的閃耀角為仇(光柵面和光柵刻槽面的夾角，因此也是刻槽面法線和光柵面法線 n和n 之間的夾角)。取一級衍射項時，對于入射角為 外而衍射角為日時，光柵方程式 為：d(sine+sin9)二九因此當光柵位于某一個角度時(蟲日定)，波長久與d成正比，角度的符號規(guī)定由法線方向向光線方向旋轉(zhuǎn)順時針為正，逆時針為負。幾何光學的方向為閃耀方向，所以可以算出不同入射角時的閃耀波長，由于幾何光學方向為入射角等于反射角的方向，即，4-*=-0-(-*),所以有，日=2久-光柵方程式改為，d(sin s

3、in(2 b - )=本次實驗所用光柵，為每毫米1200條刻痕，一級光譜范圍為380nm 1000nm,刻劃尺寸為64 m64mm 2。當光柵面與入射平行光垂直時，閃耀波長為570nm 。由于此時入射角4=0,求得g =21.58:再代入光柵方程式可以求得當入射角改變時實現(xiàn)不同波長光的閃耀，如 e=5110二,30二時，九=587nm , 600.5nm , 606.3 nm 。3狹縫是單色儀的關鍵部件，它的寬度范圍是03mm ,每格為0.005mm圖3狹縫寬度與光譜寬度的關系曲線圖5狹縫寬度與光譜分辨率及光譜強度的關系曲線儀器不工作時狹縫開啟寬度應放在最小的位置。 在調(diào)節(jié)狹縫寬度時切記不要用

4、力 過猛和過快，要仔細緩慢的調(diào)到所要求的值。 狹縫應該調(diào)到它的最佳寬度，為了 說明這個問題先作一定的假設，設照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點為獨 立的點光源），首先設狹縫為無限細，由衍射理論和實驗可知譜線的半寬度約為： an=0.86f ,這里土為光的波長，f為離軸拋物鏡的焦距，d時由光柵和拋物鏡 的口徑限制的光束的直徑，當狹縫 a逐漸變寬時譜線寬度的變化如圖3所示， 圖4為狹縫寬度與光譜的分辨率 r和光譜線的強度i的變化。由圖4可見縫寬過大時實際分辨率下降，縫寬過小時出射狹縫上得到光強太小，取 a=an最好根據(jù)光學的理論知識可以知道，光柵的特性主要有：譜線的半角寬度、角色散率和光譜分辨本

5、領。理論上它們分別為：d1二nd cos 二d md r = r = = mn- d d cosd ,m為所用的光的式中n為光柵的總線數(shù)，在本實驗中 n為64m 1200=76800衍射級次，本實驗中 m=1。實驗中由于光學系統(tǒng)的象差和調(diào)整誤差，雜散光和噪聲的影響，加上光源的譜線由于各種效應而發(fā)生增寬， 所以實際的譜線半角寬度遠遠大于理論值，因此光譜儀的實際分辨本領遠遠小于76800。4.單色儀的接收系統(tǒng)在本實驗中使用光電倍增管，（也可以使用線陣ccd）。實驗內(nèi)容:1h電源燈opmt 曲 總開關報警燈本機計算機波長顯示器o 二 or手動掃描掃描速度掃描方向掃描啟停1.熟悉儀器的使用，對照上圖了

6、解單色儀主機各開關及旋鈕的作用和使用方法,學會利用測光儀和計算機測量光譜的方法。wdpf-c型測光儀鴇燈高壓開關.高壓放大調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)測光儀正面信號轉(zhuǎn)換關9開 0 o no測光儀背面2.檢查單色儀的入射狹縫寬度是否合適。出射狹縫由實驗室事先調(diào)好不需檢查。3 .利用鴇燈和主機上波長顯示器和測光儀上的數(shù)字顯示測量通過濾光片的透過率。4 .測量汞燈的576.96nm與579.96nm 兩條光譜線，并根據(jù)這兩條分立光譜線計算出單色儀的實際分辨本領 ro方法：利用計算機上的“單色儀”應用程序，先設定好當前位置和積分時間，然后利用分段掃描f3測出a和b ,估計出垢和入2的值。再利用歸峰掃描f5測出精確的%

7、和九2的值數(shù)據(jù)處理：0.本實驗中用到的一些已知量：單色儀中等效會聚透鏡的焦距f=500mm光柵的面積64 64mm 2光柵的刻劃密度為1200線/mm1.分別測量無濾波片時與加濾波片時的鴇光相對光強分布曲線:波長（nm ）波長（nm ）加濾光片i時光強不加濾光片時不加濾光片i。加濾光片i400.6400.29368410.3410.6140101420.2420.5181134430.2430.3236179440.2440.1276226450.3450.1352278460.3460.2403335470.2470.5462379480.3480.1482433490.2490.25064

8、78500.4500.1543519510.3510.2742545520.2520.28441260530.2530.39031230540.2540.19701165550.3550.210031086560.2560.11038984570.4570.11080867580.2580.21136742590.3590.31162615600.3600.11162499610.3610.21175391620.3620.21148301630.2630.31090222640.3640.61023163650.4650.2946119660.4660.385982670.2670.2770

9、58680.2680.268142690.4690.659028700.3700.551221710.3710.843516720.5720.337612730.3730.43188740.2740.52697750.2750.42277根據(jù)表一用oringin繪制曲線得波長相對光強曲線:相對光強1000 加濾波片曲線不加濾波片曲線800 -600 -400200 -0 t- 3504004505005506006507007508001 /nm又由e = h c =1241.37 m 1 ev繪制能量相對光強曲線: 九九相對光強加濾波片曲線不加濾波片曲線1000800600400200e/e

10、v1.61.82.02.22.42.62.83.03.2由透光率p就繪制其透光率曲線:相關分析：可以看出，濾光片的透過率隨入射光的波長變化而變化。 波長位 于中間時，透過率比較大，本次實驗中約為 82%;本次實驗中，波 長介于600nm和750nm之間時透過率隨波長增大明顯減小?？梢杂帽∧じ缮鎭斫忉專哼@里認為膜的折射率大于其兩側(cè)介質(zhì)（空氣）的折射率，對膜的兩個表面的反射光來說，是有半波損失的。此兩束相干光若干涉相消，則可以增大透射光線的強度。光程差2nh=m入時干涉相消（m= 1, 2,）。對膜而言，折射率和厚度 都是一定的，所以干涉級數(shù)和波長的乘積為定值。 濾光片是為了選擇 一個特定波長的光

11、（記其波長為 入0）而制作的，故m是取定的，往 往取m=1。入射光波長？= 2+ 入與2較接近時，混一小量， 對干涉相消的條件影響不大，故其透射率比較穩(wěn)定；而當入射光波長與o相差較大時，入不可以忽略，反射光的光程差 2nh不能滿足干涉相消的條件，磁大，反射光的光強越大，透過率越小。2.測量led的相對光強譜線:九/nmi 3兒/nmi 3兒/ nmi 3400.5-10455.4609510.219405.5-9460.6801515.37410.4-8465.4852520.32415.3-5470.5713525.3-3420.62475.5506530.5-5425.517480.634

12、5535.7-6430.442485.4232540.3-7435.588490.4146545.5-9440.6165495.588550.3-9445.3268500.354450.3417505.332通過oringin繪制曲線有:相對光強1000，800600200 -380400420440460480500520540560 , /ri ii m又由e =h& =1241.37ev得其能量相對光強曲線: 九九相對光強10008006004002000 -2.22.42.62.83.03.2 e / ev3.測量汞燈的光譜:波峰位置/nm半寬高/nm1577.01503.42/8.7

13、0*0.3200=0.12582579.24503.93/8.70*0.3200=0.1445由分辨本領 = 2_得：ri=577.0150/0.1258=4586.7657r 2=579.2450/0.1445=4007.1809誤差分析：1 .由實驗可知鴇燈和led燈的光譜為連續(xù)譜，而汞燈的光譜為分立 譜。這是由它們不同的發(fā)光機制造成的：據(jù)百度知道，led的工作中心是塊晶片，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子和空穴就會被推向 量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā) 出能量，這就是led發(fā)光的原理；汞燈是由原子內(nèi)部電子發(fā)生 能級躍遷造成的，所以光

14、譜是分立的。2 .分辨本領的理論值為76800 ,實驗結(jié)果與其相去甚遠，可能原因： 一方面理論值的計算是在理想情況下進行的做了很多近似，另一方面可能是儀器存在不同程度的磨損，從而較大的影響了測量結(jié)果。思考題:1 .說明鴇燈和鈉燈、汞燈光譜的區(qū)別和道路?答：鴇燈發(fā)光的光和自然光相類似，光譜是連續(xù)的，而鈉燈、汞燈光 譜是分立的。這是由于其發(fā)光機制不同造成的：鴇光是高溫固體 發(fā)熱產(chǎn)生的熱光譜，而鈉燈、汞燈是氣體原子躍遷產(chǎn)生的，故光 子能量是分立的。2 .為什么狹縫具有最佳寬度，怎樣求出最佳寬度？答：由圖5可知狹縫變寬分辨率圉5狹韁寬度與光譜分辨率及光譜居度的關系曲線裂下降而太窄時則光強太小，不便測量。故最佳寬度在fan = w0 = 0.86 d八“ fa = an = w0 = 0.86 d即為最佳寬度。3 .單色儀的理論分辨率如何計算？實際分辨本領如何測量？答：理論分辨本