單色儀的調(diào)節(jié)和使用(共14頁)

1、單色儀的調(diào)節(jié)(tioji)和使用院系：07023姓名(xngmng)：王曦澤學(xué)號：PB07210077實(shí)驗(yàn)(shyn)目的：了解光柵單色儀的原理、結(jié)構(gòu)和使用方法，通過測量鎢燈、鈉燈和汞燈的光譜了解單色儀的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理：光柵單色儀的結(jié)構(gòu)和原理PMTM2GM1S1：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 S2圖1 光柵單色儀的分光系統(tǒng)S1 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

2、光柵的分光作用，從S2出射的光為單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動時，從S2出射的光由短波到長波依次出現(xiàn)。圖2 閃耀光柵的工作原理-bN入射光bd衍射光-n當(dāng)入射光與光柵(gungshn)面的法線N 的方向(fngxing)的夾角為（見圖2）時，光柵(gungshn)的閃耀角為b（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(xiàng)時，對于入射角為，而衍射角為時，光柵方程式為：d(sinsin)= 因此當(dāng)光柵位于某一個角度時（、一定），波長與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(fù)。幾何光學(xué)的方向?yàn)殚W耀方向，所以可以算出不同入射角時的閃耀波長，

3、由于幾何光學(xué)方向?yàn)槿肷浣堑扔诜瓷浣堑姆较?，即，所以有，光柵方程式改為?本次實(shí)驗(yàn)所用光柵，為每毫米1200條刻痕，一級光譜范圍為380nm1000nm, 刻劃尺寸為6464mm2。當(dāng)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0，求得，再代入光柵方程式可以求得當(dāng)入射角改變時實(shí)現(xiàn)不同波長光的閃耀，如時，587nm，600.5nm，606.3 nm。狹縫是單色儀的關(guān)鍵部件，它的寬度(kund)范圍是03mm，每格為0.005mmW0a/an圖3 狹縫寬度與光譜寬度的關(guān)系曲線a/an圖5 狹縫寬度與光譜分辨率及光譜強(qiáng)度的關(guān)系曲線RI121儀器(yq)不工作時狹縫開啟寬度應(yīng)放在最小的

4、位置。在調(diào)節(jié)狹縫寬度時切記不要用力過猛和過快，要仔細(xì)緩慢的調(diào)到所要求的值。狹縫應(yīng)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(shè)，設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點(diǎn)(y din)為獨(dú)立的點(diǎn)光源），首先設(shè)狹縫為無限細(xì)，由衍射理論和實(shí)驗(yàn)可知譜線的半寬度約為：，這里為光的波長，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(dāng)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(qiáng)度I的變化。由圖4 可見縫寬過大時實(shí)際分辨率下降，縫寬過小時出射狹縫上得到光強(qiáng)太小，取a=an最好。根據(jù)光學(xué)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

5、率和光譜分辨本領(lǐng)。理論上它們分別為：式中為光柵的總線(zn xin)數(shù)，在本實(shí)驗(yàn)中為641200=76800，m為所用的光的衍射級次，本實(shí)驗(yàn)(shyn)中m=1。實(shí)驗(yàn)中由于光學(xué)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(yīng)而發(fā)生增寬，所以實(shí)際的譜線半角寬度(kund)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值，因此光譜儀的實(shí)際分辨本領(lǐng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于76800。4.單色儀的接收系統(tǒng)在本實(shí)驗(yàn)中使用光電倍增管，（也可以使用線陣CCD）。圖5 光電倍增管的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：波長顯示器計算機(jī)本機(jī)報警燈電源燈手動掃描總開關(guān)掃描速度掃描方向掃描啟停反正啟停PMT熟悉儀器的使用，對照上圖了解單色儀主機(jī)各開關(guān)及旋鈕的作用和使用

6、方法， 學(xué)會利用測光儀和計算機(jī)測量光譜的方法。測光儀正面鎢燈高壓開關(guān)高壓光強(qiáng)高壓調(diào)節(jié)放大調(diào)節(jié)數(shù)字顯示器0123WDPF-C型測光儀測光儀背面信號轉(zhuǎn)換開關(guān)2. 檢查(jinch)單色儀的入射狹縫寬度是否合適。出射狹縫由實(shí)驗(yàn)室事先調(diào)好不需檢查。ab3. 利用(lyng)鎢燈和主機(jī)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)(gnj)這兩條分立光譜線計算出單色儀的實(shí)際分辨本領(lǐng)R。方法：利用計算機(jī)上的“單色儀”應(yīng)用程序，先設(shè)定好當(dāng)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1和2的值。再利用歸峰掃描F5測出精確的1

7、和2的值。數(shù)據(jù)處理：0.本實(shí)驗(yàn)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(gungshn)的面積6464mm2光柵的刻劃(k hu)密度為1200線/mm分別(fnbi)測量無濾波片時與加濾波片時的鎢光相對光強(qiáng)分布曲線：表一 波長（nm）波長（nm）光強(qiáng)不加濾光片時加濾光片I時不加濾光片I0加濾光片I400.6400.29368410.3410.6140101420.2420.5181134430.2430.3236179440.2440.1276226450.3450.1352278460.3460.2403335470.2470.5462379480.3480.148

8、2433490.2490.2506478500.4500.1543519510.3510.2742545520.2520.28441260530.2530.39031230540.2540.19701165550.3550.210031086560.2560.11038984570.4570.11080867580.2580.21136742590.3590.31162615600.3600.11162499610.3610.21175391620.3620.21148301630.2630.31090222640.3640.61023163650.4650.2946119660.4660.3

9、85982670.2670.277058680.2680.268142690.4690.659028700.3700.551221710.3710.843516720.5720.337612730.3730.43188740.2740.52697750.2750.42277根據(jù)(gnj)表一用oringin繪制(huzh)曲線得波長(bchng)相對光強(qiáng)曲線：加濾波片曲線不加濾波片曲線相對光強(qiáng)又由繪制能量相對光強(qiáng)曲線：加濾波片曲線不加濾波片曲線相對光強(qiáng)由繪制(huzh)其透光率曲線：相關(guān)(xinggun)分析: 可以看出，濾光片的透過率隨入射光的波長變化(binhu)而變化。波長位于中間時，透

10、過率比較大，本次實(shí)驗(yàn)中約為82%；本次實(shí)驗(yàn)中，波長介于600nm和750nm之間時透過率隨波長增大明顯減小。 可以用薄膜干涉來解釋：這里認(rèn)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(snsh)的。此兩束相干光若干涉相消，則可以增大透射光線的強(qiáng)度。光程差2nh=m時干涉(gnsh)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（記其波長為0）而制作的，故m是取定的，往往取m=1。入射光波長=0+與0較接近時，是一小量，對干涉相消的條件影響不大，故其透射率比較穩(wěn)定；而當(dāng)入射光波長與0

11、相差較大時，不可以忽略，反射光的光程差2nh不能滿足干涉相消的條件，越大，反射光的光強(qiáng)越大，透過率越小。2測量LED的相對光強(qiáng)譜線：400.5-10455.4609510.219405.5-9460.6801515.37410.4-8465.4852520.32415.3-5470.5713525.3-3420.62475.5506530.5-5425.517480.6345535.7-6430.442485.4232540.3-7435.588490.4146545.5-9440.6165495.588550.3-9445.3268500.354450.3417505.332通過oringi

12、n繪制(huzh)曲線有：相對光強(qiáng)又由得其能量相對(xingdu)光強(qiáng)曲線：相對光強(qiáng)3.測量汞燈(n dn)的光譜：波峰位置/nm半寬高/nm1577.01503.42/8.70*0.3200=0.12582579.24503.93/8.70*0.3200=0.1445 由分辨本領(lǐng)得：=577.0150/0.1258=4586.7657=579.2450/0.1445=4007.1809誤差(wch)分析：1.由實(shí)驗(yàn)可知鎢燈和LED燈的光譜為連續(xù)譜，而汞燈(n dn)的光譜為分立譜。這是由它們不同的發(fā)光機(jī)制造成的：據(jù)百度(bi d)知道，LED的工作(gngzu)中心是塊晶片，可以直接把電轉(zhuǎn)化

13、為光。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候(sh hou)，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(fù)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，所以光譜是分立的。2.分辨本領(lǐng)的理論值為76800，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其相去甚遠(yuǎn)，可能原因：一方面理論值的計算是在理想情況下進(jìn)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.說明鎢燈和鈉燈、汞燈光譜的區(qū)別和道路？答：鎢燈發(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(jī)制不同造成的：鎢光是高溫固體發(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下降而太窄時則光強(qiáng)太小，不便測量。故最佳寬度在 即為最佳(zu ji)寬度。3.單色儀的理論分辨率如何計算(j sun)？實(shí)際分辨本領(lǐng)如何測量？答：理論(lln)分辨本領(lǐng) m為所用的光的衍射級次，N為光柵的總線數(shù)。 實(shí)際分辨本領(lǐng)：測量入射光的光譜，得到具有兩個峰值的曲線。如下圖所示。測出兩峰值之間的波長差a和光強(qiáng)為峰值光強(qiáng)的一半時對應(yīng)的波長差b，計算公式如下。 4.用鎢燈測量的光強(qiáng)分布曲線可說明什么問題？答：其一，可以證明鎢燈光譜是連續(xù)的。 其二，光源