光柵光譜儀試驗講義

1、光柵光譜儀實驗浙江大學光電信息工程實驗中心實驗目的1、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行測量的實驗方法;實驗儀器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、 透鏡及固定調節(jié)架2個：焦距f=45mm，口徑 38mm ;焦距f=190mm，口徑 38mm；3、 狹縫及固定調節(jié)架1個：02mm ；4、 光柵及固定調節(jié)架1個：光柵自制；5、 USB接口攝像頭及固定調節(jié)架1個；6、計算機及軟件；三實驗原理衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件，它的記錄介質多采用光致抗蝕劑，一般用激光

2、器作光源，可產生每毫米幾千條對的空間頻率的光柵，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，通?？叹€密度為每毫米數百至數十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。當平行光入射到一塊平面衍射光柵時，讓衍射光波經過一透鏡，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，d=a+b，在可見光范圍內，_ 亠2m 0, 1,? 1d 一般在1/10001/50

3、0mm 之間。 m為第m級亮紋對應的衍射角，入為入射光波長，i為入射平行光對光柵面的入射角，m為多縫干預主極大級數。入射光處于光柵面法線同側的亮條紋時上式中取正號；異側時取負號。光柵上的每一條縫的單縫衍射在P點產生一個光振動， N條縫在P點產生的 N個光振動的振幅相同，他們的相干疊加決定了 光柵衍射是單縫衍射和多縫干預的總效果。P點的光強，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：滿足多縫干預的光柵方程：m = 0,6=0時，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、衍射暗紋級數。2、3 式要同時滿足，才會出現主極大暗條紋位置：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式只需滿足一個便是暗紋。1 .光柵的色散復色光入射時，除零級外各波長的衍射亮線分開，各色同級亮級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；當小時，dd。d-d fd線色散d毫米/埃?？梢姽鈻诺纳⑴c光波長無關，它僅決定于光柵常數d和被考察亮線的級次m，色散是作為分光元件的衍射光柵的重要特性參數。根據光柵方程，只要測得某光波第m級亮級的衍射角Sm，并光柵常數d和入射角i，那么可求得

5、該義:光波波長。同時，如果測得各色光第m級亮線的衍射角6，那么可算得各色光的波長差，求得第m級亮線的角色散。f為會聚透鏡的焦距。2 .光柵的色分辯本領光柵的色分辯本領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是光譜級次，N是光柵的總刻痕數。3 .光柵的自由光譜范圍光柵光譜中，不發(fā)生越級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， 光柵的色分辯本領正比于刻痕數N和級次m，但自由光譜范圍反比干預級次使用時應根據需要合理地選擇參數。四. 實驗裝置光柵光譜實驗裝置如圖二所示，光源發(fā)出的光經透鏡 A會聚到狹縫上， 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驗裝置五. 實驗步驟1 .啟動汞燈。觀察光源發(fā)出連續(xù)的光，而不是時斷時續(xù)即可。2 .利用現有平臺布置光路，放置透鏡A 焦距=45mm ，使得光源發(fā)出的光會聚到狹縫面上，同時要求狹縫位于光斑的中心位置。3 .調節(jié)狹縫寬度為1mm。狹縫寬度范圍02mm連續(xù)可調，順時針旋轉為狹縫寬度加大，反之減小。每旋轉一周狹縫寬度變化0.5mm，最大調節(jié)寬度為2mm。為延長使用壽命，狹縫寬度調節(jié)時應注意最大不要超過 2mm。儀器測量完畢或平常不使用時，狹縫最好調節(jié)到0.1mm0

7、.5mm左右。4 .調節(jié)透鏡 B位置，使狹縫處于透鏡B的前焦面上，經透鏡B后成為平行光。5 .調節(jié)光柵的位置，觀察反射光使其與狹縫重合。6.啟動計算機，運行計算機桌面上的軟件TopSpeed amcap.exe采集光譜圖像。主要操作步驟如下：1 調整軟件設定選項/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 調整曝光量選項 /屬性/相機/曝光和亮度選項/屬性/顏色/亮度，同時調節(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 按計算機 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，并記錄相應的光譜圖像。六. 實驗數據處理1. 運行桌面/光譜/pic1軟件，讀入光譜圖像，移動Y方向滑塊至適當位置即可得到光譜曲線。2. 系統波長進行校正：利用汞燈的五根譜線的波長值標準值為 404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.0nm、579.0nm 來進行測量系統的波長校準。3. 根據波長校正后的測量系統，測量節(jié)能燈和LED的光譜峰值波長、光譜范圍七. 討論和思考1 .能否用實驗測量值計算衍射一級亮紋的角色散，分辯本領，如何計算?2. 影響系統光譜分辨力的參數有那些？3. 提出你對實驗系統的改良建議?？记绊氈? .在動