光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)報告

1、光柵光譜儀的使用學(xué) 號 2015212822 學(xué)生姓名 張家梁 專業(yè)名稱 應(yīng)用物理學(xué)（通信基礎(chǔ)科學(xué)） 所在系（院） 理學(xué)院 2017 年 3 月 14 日光柵光譜儀的使用張家梁1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解光柵光譜儀的工作原理。 2.學(xué)會使用光柵光譜儀。2 實(shí)驗(yàn)原理1. 光柵光譜儀光柵光譜儀結(jié)構(gòu)如圖所示。光柵光譜儀的色散元件為閃耀光柵。入射狹縫和出射狹縫分別在兩個球面鏡的焦平面上，因此入射狹縫的光經(jīng)過球面鏡后成為平行光入射到光柵上，衍射光經(jīng)后球面鏡后聚焦在出射狹縫上。光柵可在步進(jìn)電機(jī)控制下旋轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)肷浣嵌群?終聚焦到出射狹縫處光線的波長?？刂迫肷涔庠吹牟ㄩL范圍，確保衍射光無級次重疊，可通過控制光柵

2、的角度唯一確定出射光的波長。光譜儀的光探測器可以有光電管、光電倍增管、硅光電管、熱釋電器件和 CCCD 等多種，經(jīng)過光柵衍射后，到達(dá)出射狹縫的光強(qiáng)一般都比較弱，因此本儀器采用光電倍增管和 CCD 來接收出射光。 2. 光探測器光電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測器，它由光陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)及陽極組成，并且通過高壓電源及一組串聯(lián)的電阻分壓器在陰極打拿極(又稱“倍增極”) 陽極之間建立一個電位分布。光輻射照射到陰極時，由于光電效應(yīng)，陰極發(fā)射電子，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成光電子；這些光電子受到各電極間電場的加速和聚焦，光電子在電子光學(xué)輸入系統(tǒng)的電場作用下到達(dá)第一倍增極，產(chǎn)生二次電子，由

3、于二次發(fā)射系數(shù)大于 1，電子數(shù)得到倍增。以后，電子再經(jīng)倍增系統(tǒng)逐級倍增，陽極收集倍增后的電子流并輸出光電流信號，在負(fù)載電阻上以電壓信號的形式輸出。CCD 是電荷耦合器件的簡稱，是一種金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型器件，在電路中常作為信號處理單元。對光敏感的 CCD 常用作圖象傳感和光學(xué)測量。由于 CCD 能同時探測一定波長范圍內(nèi)的所有譜線，因此在新型的光譜儀中得到廣泛的應(yīng)用。3. 閃耀光柵在光柵衍射實(shí)驗(yàn)中，我們了解了垂直入射時（=90°）光柵衍射的一般特性。當(dāng)入射角=90°時，衍射強(qiáng)度公式為光柵衍射強(qiáng)度仍然由單縫衍射因子和多縫衍射因子共同決定，只不過此時 當(dāng)衍射光與入射光在光柵

4、平面法線同側(cè)時，衍射角取號，異側(cè)時取號。單縫衍射中央主極大的條件是 u=0，即sin=-sin或=。將此條件代入到多縫干涉因子中，恰好滿足 v0，即 0 級干涉 大條件。這表明單縫衍射中央極大與多縫衍射 0 級 大位置是重合的（圖 9.1a），光柵衍射強(qiáng)度 大的峰是個波長均不發(fā)生散射的 0 級衍射峰，沒有實(shí)用價值。而含有豐富信息的高級衍射峰的強(qiáng)度卻非常低。為了提高信噪比，可以采用鋸齒型的反射光柵（又稱閃耀光柵）。閃耀光柵的鋸齒相當(dāng)于平面光柵的“縫”。與平面光柵一樣，多縫干涉條件只取決于光柵常數(shù)，與鋸齒角度、形狀無關(guān)。所以當(dāng)光柵常數(shù)及入射角與平面光柵一樣時，兩者 0 級極大的角度也一樣。閃耀光柵

5、的溝槽斜面相當(dāng)于單縫，衍射條件與齒面法線有關(guān)。，中央極大的衍射方向與入射線對稱于齒面法線 N，于是造成衍射極大與 0 級干涉極大方向不一致。適當(dāng)調(diào)整光柵參數(shù)，可以使光柵衍射的某一波長 強(qiáng)峰發(fā)生在 1 級或其它高級干涉極大的位置。圖是平面光柵和閃耀光柵衍射各級譜線強(qiáng)度示意圖。 閃耀光柵是許多光柵光譜儀中采用的色散器件。3 實(shí)驗(yàn)步驟1. 粗調(diào)狹縫寬度。不打開光譜儀控制箱電源，取下入射狹縫前的光源，調(diào)節(jié)入射狹縫的縫寬，直接觀察狹縫寬度的改變。先順時針調(diào)節(jié)，觀察狹縫寬度逐漸增大，然后減小狹縫寬度至狹縫剛好完全關(guān)閉。 后，調(diào)節(jié)縫寬至約 0.50mm。同樣，調(diào)節(jié)出射狹縫至 0.5mm。注意，出射狹縫后掛接

6、著光電倍增管，光電倍增管只能接收微弱光強(qiáng)，不可在室內(nèi)照明強(qiáng)度下使用，因此實(shí)驗(yàn)過程中不可取下光電倍增管。 2. 尋找狹縫的零點(diǎn)誤差。狹縫寬度由微分頭調(diào)節(jié)，存在零點(diǎn)誤差，我們可通過實(shí)際現(xiàn)象來判斷。 打開光譜儀電源控制箱和計算機(jī)，啟動光譜儀軟件。將溴鎢燈安裝到入射狹縫處（燈的前端接口與狹縫是配套的，可直接掛上），打開溴鎢燈電源，調(diào)節(jié)電流至 大。調(diào)節(jié)負(fù)高壓至 300V，設(shè)在軟件 “參數(shù)設(shè)置”中選擇工作模式為“能量”，間隔 1.00nm，工作范圍（即起始波長和終止波長）為 200-660nm，采集次數(shù)為 25，其它參數(shù)不變。 點(diǎn)擊菜單“定點(diǎn)”按鈕，彈出的對話框中設(shè)置波長（500nm）和掃描時間（60s）

7、，設(shè)置后儀器將自動掃描至 500nm 處連續(xù)測量光強(qiáng)，60 秒后停止。在掃描過程中，分別調(diào)節(jié)入射和出射狹縫，可即時看到出射光強(qiáng)的變化。保持出射狹縫 0.50mm 不變，減小入射狹縫，使光強(qiáng)剛好減小至零（或小到不變，光強(qiáng)一般至少小到 10 以下），此臨界位置即為入射狹縫的零點(diǎn)。同樣，調(diào)節(jié)入射狹縫至 0.50mm 并保持不變，逐漸減小出射狹縫，使光強(qiáng)剛好減小至零（或小到不變），此臨界位置即為出射狹縫的零點(diǎn)。記錄零點(diǎn)誤差。 3.用鈉燈雙黃線校正光譜儀。點(diǎn)亮鈉燈，使其對準(zhǔn)入射狹縫，調(diào)節(jié)入射狹縫為 0.40mm，出射狹縫為 0.20mm，工作范圍 580-600nm，間隔 0.01nm，負(fù)高壓約 300

8、V，選擇寄存器 1）。點(diǎn)擊“單程”開始掃描，掃描結(jié)束后，如果譜線的最大值小于 200 或者大于 950，則適當(dāng)增大或減小負(fù)高壓（以后所有的譜線都要滿足這個條件，不再贅述），再次掃描。得到合適的譜線后，用軟件的自動或半自動尋峰功能找到兩條譜線，并與理論值比較，如果誤差超過 1nm，則用軟件的修正功能予以修正。 4. 量高壓汞燈光譜（入射狹縫為 0.40mm，出射狹縫為 0.20mm，200-630nm，間隔 0.1nm，負(fù)高壓與鈉燈相當(dāng)，選擇寄存器 2），尋峰，記錄波長和相對光強(qiáng)。與理論值比較，作標(biāo)準(zhǔn)值測量值曲線圖，并得出光譜儀的波長修正公式； 5.測量氫（或者氫氘）原子光譜。氫燈燈管很細(xì)，注意

9、盡量對準(zhǔn)狹縫，負(fù)高壓預(yù)設(shè) 600V，如沒有譜線，應(yīng)左右移動氫燈使其對準(zhǔn)狹縫再測（分三段測量，650-660nm，480-500nm，380-440nm，間隔 0.01nm，分別選擇寄存器 3、4、5），尋峰，記錄波長和相對光強(qiáng)，由上一步得到的修正公式計算實(shí)際的波長和里德伯常數(shù)，并與理論值比較；4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)1. 出射狹縫的零點(diǎn)：0.185mm2. 入射狹縫的零點(diǎn)：-0.019mm3. 鈉光燈校正光譜儀的波長：校正前校正后4.高壓汞燈光譜： 尋峰所得數(shù)據(jù)：5.氫原子光譜： 380nm-440nm： 480nm-500nm： 650nm-660nm：6.溴鎢燈濾色片透過率曲線：5 數(shù)據(jù)處理1.用汞光燈譜數(shù)據(jù)，作理散散點(diǎn)圖，擬合并得到曲線公式2.作濾色片的透過率曲線6 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 本次實(shí)驗(yàn)作為這學(xué)期的第一次實(shí)驗(yàn)，難度算一般，唯一的缺點(diǎn)在于本次實(shí)驗(yàn)比較費(fèi)時間，而且反復(fù)性較強(qiáng)，一次成功比較難，故需要有一定耐心。這次實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)使用了光柵光譜儀并且對光譜有了一定的了解，并且了解了光柵光譜儀的原理，在數(shù)據(jù)處理上origin lab的使用還不夠熟練，需要探索并做到使用流暢，總之本次實(shí)驗(yàn)比較順利。7 參考文獻(xiàn)1 楊胡江、肖井華、尚玉峰、程洪艷 近代物理實(shí)驗(yàn)講義 M