光柵光譜儀試驗(yàn)講義

1、光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)浙江大學(xué)光電信息工程實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解光柵的分光原理及主要特性；2、了解光柵光譜儀的工作原理；3、掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方法;實(shí)驗(yàn)儀器1、 低壓汞燈及電源：發(fā)光波長404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.0nm、579.0nm ;2、 透鏡及固定調(diào)節(jié)架2個(gè)：焦距f=45mm，口徑 38mm ;焦距f=190mm，口徑 38mm；3、 狹縫及固定調(diào)節(jié)架1個(gè)：02mm ；4、 光柵及固定調(diào)節(jié)架1個(gè)：光柵自制；5、 USB接口攝像頭及固定調(diào)節(jié)架1個(gè)；6、計(jì)算機(jī)及軟件；三實(shí)驗(yàn)原理衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件，它的記錄介質(zhì)多采用光致抗蝕劑，一般用激光

2、器作光源，可產(chǎn)生每毫米幾千條對(duì)的空間頻率的光柵，并且通過曝光和顯影，直接得到浮雕型的正弦透射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通常刻線密度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。當(dāng)平行光入射到一塊平面衍射光柵時(shí)，讓衍射光波經(jīng)過一透鏡，那么在透鏡焦平面上得到光柵的夫瑯和弗衍射圖象，見圖一。如果光源是平行于光柵刻痕的狹縫光源發(fā)出的準(zhǔn)單色光，那么衍射把戲是一些分立的亮線亮條紋縫平面G 透鏡L觀翠屏圖一光柵衍射圖亮紋位置滿足如下條件光柵方程式 孵二丸d si n i sin m m ,式中，d為光柵常數(shù)，d=a+b，在可見光范圍內(nèi)，_ 亠2m 0, 1,? 1d 一般在1/10001/50

3、0mm 之間。 m為第m級(jí)亮紋對(duì)應(yīng)的衍射角，入為入射光波長，i為入射平行光對(duì)光柵面的入射角，m為多縫干預(yù)主極大級(jí)數(shù)。入射光處于光柵面法線同側(cè)的亮條紋時(shí)上式中取正號(hào)；異側(cè)時(shí)取負(fù)號(hào)。光柵上的每一條縫的單縫衍射在P點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)光振動(dòng)， N條縫在P點(diǎn)產(chǎn)生的 N個(gè)光振動(dòng)的振幅相同，他們的相干疊加決定了 光柵衍射是單縫衍射和多縫干預(yù)的總效果。P點(diǎn)的光強(qiáng)，亮紋主極大中心位置滿足光柵方程中其他亮紋主極大中心位置：滿足多縫干預(yù)的光柵方程：m = 0,6=0時(shí)，dsin 6=0為中央明紋中心。d sin 謝m -土m*m- 0,1,2(2)不滿足單縫衍射暗紋條件：a sin 1mm ,mJ 1,2,3(3)m為單縫

4、衍射暗紋級(jí)數(shù)。2、3 式要同時(shí)滿足，才會(huì)出現(xiàn)主極大暗條紋位置：d sin 亂 J 一(2 m 1) ,m -0,1, 22(4)a sin m 二 土m 飛m 1, 2,3(5)4、5式只需滿足一個(gè)便是暗紋。1 .光柵的色散復(fù)色光入射時(shí)，除零級(jí)外各波長的衍射亮線分開，各色同級(jí)亮級(jí)分開的程度用光柵的色散來表示。定 md-：md角色散ed cos弧度/埃a；當(dāng)小時(shí)，dd。d-d fd線色散d毫米/埃?？梢姽鈻诺纳⑴c光波長無關(guān)，它僅決定于光柵常數(shù)d和被考察亮線的級(jí)次m，色散是作為分光元件的衍射光柵的重要特性參數(shù)。根據(jù)光柵方程，只要測(cè)得某光波第m級(jí)亮級(jí)的衍射角Sm，并光柵常數(shù)d和入射角i，那么可求得

5、該義:光波波長。同時(shí)，如果測(cè)得各色光第m級(jí)亮線的衍射角6，那么可算得各色光的波長差，求得第m級(jí)亮線的角色散。f為會(huì)聚透鏡的焦距。2 .光柵的色分辯本領(lǐng)光柵的色分辯本領(lǐng)用波長入附近能被分辯的最小波長差 的比值來表示，即:二 mN式中m是光譜級(jí)次，N是光柵的總刻痕數(shù)。3 .光柵的自由光譜范圍光柵光譜中，不發(fā)生越級(jí)的最大光譜范圍稱為光柵的自由光譜范圍，表示為m,所以光柵一 / m可以看出， 光柵的色分辯本領(lǐng)正比于刻痕數(shù)N和級(jí)次m，但自由光譜范圍反比干預(yù)級(jí)次使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要合理地選擇參數(shù)。四. 實(shí)驗(yàn)裝置光柵光譜實(shí)驗(yàn)裝置如圖二所示，光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡 A會(huì)聚到狹縫上， 狹縫放置在透鏡B的前焦面上，出來的

6、平行光入射到光柵上，通過攝像頭自帶的透鏡成像到光電接收器。 An ：I|U i 1光源Lens A狹縫Lens B光柵攝像頭圖二光柵光譜實(shí)驗(yàn)裝置五. 實(shí)驗(yàn)步驟1 .啟動(dòng)汞燈。觀察光源發(fā)出連續(xù)的光，而不是時(shí)斷時(shí)續(xù)即可。2 .利用現(xiàn)有平臺(tái)布置光路，放置透鏡A 焦距=45mm ，使得光源發(fā)出的光會(huì)聚到狹縫面上，同時(shí)要求狹縫位于光斑的中心位置。3 .調(diào)節(jié)狹縫寬度為1mm。狹縫寬度范圍02mm連續(xù)可調(diào)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小。每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.5mm，最大調(diào)節(jié)寬度為2mm。為延長使用壽命，狹縫寬度調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意最大不要超過 2mm。儀器測(cè)量完畢或平常不使用時(shí)，狹縫最好調(diào)節(jié)到0.1mm0

7、.5mm左右。4 .調(diào)節(jié)透鏡 B位置，使狹縫處于透鏡B的前焦面上，經(jīng)透鏡B后成為平行光。5 .調(diào)節(jié)光柵的位置，觀察反射光使其與狹縫重合。6.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行計(jì)算機(jī)桌面上的軟件TopSpeed amcap.exe采集光譜圖像。主要操作步驟如下：1 調(diào)整軟件設(shè)定選項(xiàng)/格式/輸出大小，使采集光譜圖像的分辨率800 X 600或1024 X 768 ;顏色空間壓縮選用 YUY2、頻率30Hz。2 調(diào)整曝光量選項(xiàng) /屬性/相機(jī)/曝光和亮度選項(xiàng)/屬性/顏色/亮度，同時(shí)調(diào)節(jié)攝像頭與光柵的位置，使得光譜圖像顯示效果最正確。光柵光譜圖像如圖三所示。圖三光柵光譜圖像3 按計(jì)算機(jī) PrtSc Sys Req按鍵，用

8、附件中的畫圖軟件或圖像處理軟件保存光譜圖像文件選用 JPG 格式，保存至桌面 /光譜/testimage目錄下。4改變狹縫的大小，記錄相應(yīng)的光譜圖像。5 改變光源，觀察節(jié)能燈、LED的光譜，并記錄相應(yīng)的光譜圖像。六. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 運(yùn)行桌面/光譜/pic1軟件，讀入光譜圖像，移動(dòng)Y方向滑塊至適當(dāng)位置即可得到光譜曲線。2. 系統(tǒng)波長進(jìn)行校正：利用汞燈的五根譜線的波長值標(biāo)準(zhǔn)值為 404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.0nm、579.0nm 來進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的波長校準(zhǔn)。3. 根據(jù)波長校正后的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量節(jié)能燈和LED的光譜峰值波長、光譜范圍七. 討論和思考1 .能否用實(shí)驗(yàn)測(cè)量值計(jì)算衍射一級(jí)亮紋的角色散，分辯本領(lǐng)，如何計(jì)算?2. 影響系統(tǒng)光譜分辨力的參數(shù)有那些？3. 提出你對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改良建議。考前須知1 .在動(dòng)