光柵光譜儀與光譜分析講稿

1、光柵光譜儀與光譜剖析一、實驗目的1、一步掌握光的原理2、 認識光倍增管和CCD及其在光 量中的用3、學、和 量等光研究的基本方法4、通 量光可 的波，巴末公式的正確性，進而玻理的 基有詳細的認識。力爭正確 定的里德伯常數(shù)，近代量達到的精度有一初步認識。二、實驗原理光剖析是研究原子和分子構的重要手段，有對于原子構的知，大多數(shù)根源于各樣原子光的 研究。通光研究，能夠獲取所研究物中含有元素的分和原子內(nèi)部的能 構及互相作用等方面的信息。在光剖析中，用于分光的光 器和 光的光探器剖析構有著決 定性作用1）光光分光原理與參數(shù)光是光光 的核心，其分光原理以下：平面反射光的結構與光方程當前最寬泛用的是平面反射

2、光，它是在玻璃基板上上，用特別刀具刻劃出多平行并且距相 等的槽面而成，如1所示。大批生的平面反射光每毫米的刻槽數(shù)量600條、1200條、1800條和2400條。在近外區(qū)和可光區(qū)的反射系數(shù)都大，并且?guī)缀跏浅?shù)，在紫外區(qū)的反射系數(shù)比金和都大，加上它比，易于刻劃，所以往常都用來刻制反射光。我將看到，在 上只需刻劃出適合的槽形，就能把光的能量集中到某一極，戰(zhàn)勝透射光光 度輕微的弊端。制反射光幾乎在外、可光和紫外區(qū)在1中，衍射槽面（度a）與光都能用。用一刻制好的光（稱原制光或母光）能夠復制出多光。因為些點，反射光在分光器中獲 取愈來愈多的用。(1)平面的角e，稱光的耀角。當平行光束入射到 光上，因為槽面

3、的衍射及各個槽面衍射光的疊加， 不一樣方向的衍射光束度不一樣?？疾勖嬷母?預，當足光方程d (sin i sin ) m I -，光度將出極大。式中i及分是入射光及衍射光與光平面法的角（入射角和衍射角）。d光常數(shù)， m= 1， 2 3，干預，/是出極大的波。當入射與衍射在法同，公式取正號，異取號。由式（1）可知，當入射角i必定，不一樣的波 不一樣的衍射角，因此光衍射后按不一樣方向擺列成光，成像于面中心的 波稱中心波。本器采納的光路， 中心波 ，0而言，入射角與衍射角相等，i= （ 2），種部署方式稱littro型，所以中心波 0有2 d sin i二 m 代從中可看到，面上成像于中心波兩的，

4、衍射角二i工，正號分與右及左，所以相有(2)C光法m/lt于我所使用器，2 littrow 型光路dsinsin( ig)= I!_J 11光的耀于棱光，入射光束棱分光后，某一波的色光能量除了被棱表面反射及汲取一部格外， 所有集中到某一確立方向，所以光比。光 不一樣，入射光束中某一波的色光，光衍射后能量分派到各光中，而能量分派方式又與光的型式及各樣幾何參數(shù)有關。如前所述，能量的分派是槽衍射與槽干預的合果。光方程只是出了各干預極大的方向，由式（1）可知，光方程中只包含光常數(shù)d而與槽面形狀沒關，各干預的極大的相 度決定于槽衍射度散布曲。大家熟知的多透射光有很大的弊端，即入射光的能量大多數(shù)集中在沒有

5、色散的零光上。而我常常只利用其中一，所以 很弱。反射式耀光的基本出點在于把 衍射的主極方向從沒有色散的零到某一有色散的方向上，以增大 度。1所示的反射光，每個衍射槽面的作用和 相同， 能夠明，槽面衍射的主極方向，于槽面來正好是聽從幾何光學反射定律的方向。所以當足光方程（1）某一波的某一衍射方向正好與槽面衍射主極方向一致，從個方向察到的光特亮，就好象看到表面圓滑的物體反射的刺眼的光一，所以一方向稱耀方向。入射光、衍射光與光法、槽面法的幾何關系如 3所示。光平面的法而言，入射角、衍射角分i 及（中畫進出射光與衍射光在光法同情況）。然，光法與槽面法之的角等于光的耀角e，所以衍射槽面入射角（L B ）

6、，反射角（0 - P ）。依據(jù)上邊的剖析，耀的條件是，（i-0 ） = （ e - F）。進而有i+：- =2 e（ 4）3入射光、衍射光與光 法、槽面法的幾何關系所以某一波而言， 耀 iP、A除了足光方程（1），必同足式（4）。依照littrow方式部署的光，于中心波有i=，代入式（4，獲取i =0。即入射角 等于光的耀角e，所以入射光及衍射光均垂直于衍射槽面，如4所示。把i =e代入光方程，得2d sin = m（ 5）只需I B、3同足式（1和式（4），波2而言也就足耀條件，但往常倒是把足式（5）的波稱耀波。因為m能夠取m=1，2 3,，所以一確立的光（d, e必定）仍舊有第一耀波，第二

7、耀波等各樣，但上在說明光柵規(guī)格時，閃耀波長往常指的是第一級閃耀波長。因為K a （見圖），對知足閃耀條件的波長為入的某一級光譜來說，同一波長的其余級 （包含零級）光譜都幾乎落在單槽衍射強度曲線的零點周邊，如圖 所示（在圖中，單槽衍射主 極強方向與m=1的光譜線重合），這樣就能夠把 8090%以上的能量集中到閃耀方向上，對知足 閃耀條件的波長來說，衍射效率最高。在它雙側的 波長則不可以同時知足閃耀條件，衍射效率降落， 并且隨干預級次增添降落速度加快。當衍射效率降 落太多時，譜線就很弱。經(jīng)驗表示，當光柵常數(shù)d較大（d 2入）時，假如第一級閃耀波長為 光柵合用范圍可由下邊經(jīng)驗公式計算：22Trm ：

8、。21式中m是所用的光譜級次，在此范圍內(nèi)，相對效率大于,/ d-2-1012圖5不一樣級光譜的強度散布0.4。3光柵色散光譜儀參數(shù)A光柵攝譜儀的色散光柵攝譜儀的色散大小是描繪儀器把多色光分解成各樣波長單色光的分別程度。們把相鄰兩束單色光衍射角之差,土與波長差上，之比稱為光柵的角色散，當入射角時，對式（）微分，取絕對值可得d I救m 1d /.d cos !：-這里我i必定(6)可見干預級越高或光柵常數(shù) d越小，角色散越大。因為 是兩束光芒分開的角距離， 使用不方便，實質丈量的是它們在譜面上的距離: 1與。 的比值，稱為儀器的線色散，根據(jù)式（6），線色散為dld 此 mf 1-f 3-d?f d

9、 cos它表示譜面上單位距離的波長間隔，常用單位是(7)d -習慣上常常使用線色散的倒數(shù)，0.1nm/m，明顯線色散的倒數(shù)愈小愈好。實質使用時B不可以太大，并且在譜面范圍內(nèi)，B的變化不大，所以cos ;一:一變化很小，從 而d, / （靠近一個常量，亦即光柵擁有平均的色散。在譜面上獲取的是靠近于按波長平均 擺列的光譜，這是與棱鏡光譜儀明顯不一樣的地方。?/m或B光柵攝譜儀的分辨率分辨率定義為譜線波長入與周邊的恰好能分開的譜線波長差上，之比，即R二入/上依據(jù)定義，能夠求出理論分辨率。一塊寬度為b的光柵，（見圖6），其光柵 常數(shù)為d刻線數(shù)為N它在衍射方向的投影 寬度b，二b cos 二 Nd co

10、s 。與單縫衍射一 樣，其衍射主極強半角寬度（最小可分辨角） 為圖6光柵在衍射方向的投影寬度而依據(jù)式（），假如兩譜線恰好能被分開，它們的角距離應等于這個最小分辨角，即d cosmi.- Nd cos *進而獲取二 mN電可見為了提升分辨率，應在高級次下使用較大的光柵（尺寸較大或每毫米刻線數(shù)許多）果從光柵方程（1）解出m代入上式可得Nd .sin i- sin pR 二一(8)。如b .sin i- sin日）（9）因為 sin 土i 卓n的最大值是2所以光柵可達到的最大分辨率為2bmax（10）由式（9）、（ 10）可知，光柵的分辨率遇到光柵尺寸b及工作波長的限制，在大角度下工作能夠提升分辨率

11、，但 i和蒞靠近90o時，譜線太弱不合用。因為各樣原由，如光柵表面的光學質量、 刻線間平均性及其余光學元件質量的限制等等， 實質上達不到理論分辨率。在正常狹縫寬度使用時，實質分辨率在一級光譜中只好達到理論值的7080 %左右，在二級光譜中為60 %左右。狹縫正常寬度 so為上述最小可分辨率角與準直透鏡焦距的乘積，即（11）2）光電倍增管光電倍增管是利用外光電效應和次級電子發(fā)射現(xiàn)象將輻射能變換成電訊號（光電流）并加以放大的電真空器件，它能夠探測可見光子。 光電倍增管是精準測定輕微光輻射的一種靈敏檢測器件，因為它比真空光電管擁有更高的敏捷度，而不需要復雜的放大和指示設施，因此在近代技術中被寬泛應用

12、，已成為近代光電檢測方法的主要器件，在天文物理、大氣物理、空間科學、原子光譜學、化學、醫(yī)學、軍工、鋼鐵和通信等方面均被大批應用。特別是在光 譜學、光子計數(shù)、閃耀計數(shù)和光譜的迅速剖析方面更有特別意義。1、光電倍增管的結構直線聚焦式、百頁窗式。圖7給出了百頁窗式及光電倍增管按其電極結構可分為盒式、 聚焦式機構的表示圖。柵網(wǎng)以5 D Q1D聚焦電極K（a）百頁窗式（b）聚焦式圖7光電倍增管結構聚焦式光電倍增管是把倍增極的形狀和地點設計成能使電子在極間電場作用下聚焦到一個倍增極上，比方把擁有高次發(fā)射系數(shù)的特別合金附著在瓦形鎳質電極表面作為倍增極便是此中一種。百頁窗式是在倍增極上加上柵網(wǎng)，以防備電子退回

13、到前一倍增極上。不論哪一種 結構，構成光電倍增管的基本部分是相同的，即光窗、歲月極、倍增極和陽極。光窗：是光或射線的入射窗口，有端窗和側窗兩種。對不一樣透光要求，應選擇不一樣 的光窗玻璃。一般常用的國產(chǎn)GDB-44型光電倍增管的窗資料是硼硅玻璃，對波長為350.0600.0nm的光透過率可達 90 %以上。歲月極：用于接收光子而產(chǎn)生光電子。有反射式和透射式之分，其資料多為Sb-K-Cs或Sb-K-Na-Cs等，都是量子效率大、光電子逸出功率較小的資料。后者多用于光譜儀或光 子計數(shù)方面，其光譜響應較寬。倍增極：用作產(chǎn)生次級電子的發(fā)射極，并使這些電子聚焦到下一倍增極。倍增極的數(shù)量為813個。它的資

14、料多用Sb-Cs、Sb-K-Cs、Ag-Mg合金等。一般電子放大倍數(shù)達108109。陽極：用作倍增后的電子采集，形成輸出信號。一般用電子逸出功率大的資料，如金屬 鎳、鎢等制成網(wǎng)狀。2、外光電效應與次級電子發(fā)射A、外光電效應在一個抽閑的玻璃泡內(nèi)壁上涂一層光電資料，成為歲月極K，與電源的負極相連，電源的正極與管內(nèi)的陽極A相連。當光輻射入射到歲月極后，電子從歲月極表面逸出而成為自由電 子，這類現(xiàn)象稱為外光電效應。光電子在歲月極與陽極之間的外電場作用下飛朝陽極形 成電流，這類電流稱為光電流。外光電效應應恪守以下基本規(guī)律：（1）在輻射光譜成分不變的條件下光電流i與惹起光電效應的光通量 中成正比。（2）被

15、激發(fā)出來光電子的動能與光的 強度沒關，光電子的最大動能與激發(fā)光的頻次成正比。（3）對給定的歲月極，激發(fā)歲月極的輻射光譜區(qū)存在一個長波限（紅限）。（4）光電效應是沒有慣性的，其延緩時間t小于3 X10-9 &規(guī)律（1）說明，光通量越大，光子數(shù)量越多，可能產(chǎn)生光電子也越多。規(guī)律（2 ）、（3）是有關的，這是因為光電子的產(chǎn)生是因為歲月極在遇到光照時，電子獲取光子的能量 一足以戰(zhàn)勝歲月極表面的約束（約束能用功函數(shù)中表示），它就會逸出歲月極表面而成為自由電子。所以光電子產(chǎn)生的條件是h N中 假如h =中，則電子的能量恰好用于逸出陰極而作功，其逸出后的光電子動能為零。假如一中，則電子除掉逸出陰極作功外，另

16、有節(jié)余能量，正是它決定了光電子動能大小（因為光 電子獲取的動能，只與光的頻次 v有關）。因為二/ c二是產(chǎn)生光電子的極限條件， 所以對于必定的歲月極資料明顯存在一個長波極限，這個極限是、=hc ?（ 12）-m取決于歲月極資料的功函數(shù) 中。此刻能獲取的歲月極資料功函數(shù)均在1eV以上，所以光陰極資料的長波限均小于1.2七。我們把只有必定波長的光輻射才能使歲月極資料產(chǎn)生光電子的現(xiàn)象稱為光譜響應，用響應率（單位輻射功率產(chǎn)生的電信號大?。┗蛄孔有剩ㄒ粋€ 光子產(chǎn)生的電子數(shù)）來表征。B、次級電子發(fā)射次級電子發(fā)射現(xiàn)象是指在能量（Ep ）足夠大的電子轟擊物體表面時，該物體內(nèi)部所發(fā)射的電子，次級電子的數(shù)量N2

17、可超出一次電子N 1很多倍。兩種電子數(shù)的比值。次級電子增益 系數(shù)。技2 : N（13）次級電子發(fā)射聽從以下規(guī)律：i次級電子發(fā)射同光電子發(fā)射相同無慣性。ii對于純凈的金屬表面，。在原初電子能量Ep較小的地區(qū)內(nèi)隨 Ep的增添而增添，并在某一 Ep值時達到最大，而后再遲緩降落。iii。 值隨原初電子束與靶的入射角 0而改變，0增大時對所有的Ep ,。都增大，并且 Ep的極大值向大的方向挪動。 TOC o 1-5 h z iv。 值與表面狀況有關，當表面無氣體吸附層時，電子沿著法線方向落在金屬表面，其。m在11.4之間，當表面有吸附層時，。m可提升到3。v對于給定的金屬，若在表面覆蓋一層另一種金屬的單

18、層分子來減小脫出功，將使。增大，比如用釷激活鎢，。最大從1.JJ曾大到2.2,但。隨覆蓋層厚度的增添而減小，厚度為幾百納米時，便等于覆蓋層金屬的。值。vi金屬靶發(fā)出的次級電子能量多數(shù)在050eV之間，在真實的次級電子中，以能量515eV之間散布電子最多，并且它們的能量散布與原電子的能量沒關，同時在原電子束與靶 的入射角0改變時幾乎不發(fā)生變化。在光電倍增管中作為次級電子發(fā)射極（倍增極）表面往常涂布著銻酸艷、氧化鎂、氧化 鈹薄膜，當一個電子打在這類靶上時，一般會發(fā)射出310個次級電子。光電倍增管是外光電效應與次級電子發(fā)射的結合作用，次級電子發(fā)射的基本規(guī)律決定了光電倍增管的基本特征。3光電倍增管的工

19、作原理與增益系數(shù)光電倍增管是成立在外光電效應與次級電子發(fā)射基礎上的電真空器件。它的電極由歲月極K、陽極（集電極）A，以及在它們之間的n （ 813 ）個倍增極（次級電子發(fā)射極）Dn構成，這 些電極按必定方式部署在真空管中，極間供應適合的直流電壓，用來加快極間電子。圖8是三個倍增極的光電倍增管表示圖。1 | T I |I pH (E圖8光電倍增管工作原理K時，便產(chǎn)生光電子，形D 1，在D1上惹起次級電子發(fā)在各電極間加上直流電壓的條件下，當光輻射到歲月極表面成陰極電流i，光電子在K和D1之間被電場加快飛向倍增極 射，次級電子數(shù)是原電子數(shù)的 。倍（。為倍增極的增益），這些電子被D1和D2之間的電場

20、加快，打在倍增極 D2上，從D轟擊出次級電子，其數(shù)值又增添 。倍，這樣持續(xù)下去，電子 逐個在各個倍增極上倍增， 從最后一個倍增極 D n上出射的電子數(shù)是光電子的。n倍，這些電 子被陽極A采集成為陽極電流，稱為光電流。光電倍增管陽極輸出的光電流為：iA稱M為光電倍增管的增益系數(shù)。上述公式實質不可以知足，這是因為各個次級發(fā)射電子的次級電子增益系數(shù)相互不盡相同（只管所用資料相同），同時因為存在電子散射，使電子不可以完整打到下一個倍增極上，散射電子對放大電子數(shù)量沒有貢獻，鑒于上述原由使增益系數(shù)M減小。所以光電倍增管中某一級的次級電子數(shù)是入射電子數(shù)的的m倍（m三；二），若光照到歲月極 K時惹起的光電流是

21、 ，則光電倍增管陽極電流 ,所以實質增益系數(shù)為M二mn ,。與極間電壓有關，所以M也與電壓有關。3）線陣CCD光探測器性能 光譜儀的光探測器能夠有光電管、光電倍增管、硅光電管、熱釋電器件和CCD等多種。CCD （charge coupled devic）是電荷耦合器件的簡稱，是一種金屬-氧化物半導體結構的新型器件，擁有光電轉變、信息儲存和信號傳輸（自掃描）的功能，在圖象傳感、信息辦理和 儲存方面有著寬泛的應用。對光敏感的CCD常用作圖象傳感和光學丈量。探測光柵光譜的線陣CCD因為能在暴光時間內(nèi)探測必定波長的所有譜線，所以在新式光譜儀中獲取寬泛的 應用。往常把同時獲取光譜儀上各個波長的光譜探測器

22、稱為多道探測器。由多道探測器、計算機及傳統(tǒng)的光譜儀構成的新式光譜儀器稱為光學多道剖析儀。在本實驗中，衍射光譜經(jīng)透鏡匯聚，成像于CCD光敏面。利用CCD的光電變換功能，將其變換為電信號“圖象” ，并 由熒光屏顯示。CCD器件的主要性能指標為1、 分辨率。用作丈量的器件最重要的參數(shù)是空間分辨率。CCD的分辨率主要與像元的尺寸有關，也與傳輸過程中的電荷損失有關。當前CCD的像元尺寸一般為 10品 左右。2、敏捷度與動向范圍。理想的CCD要求有高敏捷度和寬動向范圍。敏捷度主要與器件光照 的響應度（V/lxs）和各樣噪聲（如光子噪聲、暗電流和電路噪聲等）有關。動向范圍是指對于光照度有較大變化時，器件仍舊

23、能保持線性響應的范圍。它的上限由最大儲存電荷容 量決定，下限由噪聲所限制。3、 光譜響應。這里指光譜響應的范圍，當前硅資料的CCD 光譜響應范圍約400nm1100nm。3）光譜剖析氫原子的結構最簡單，它的線光譜擁有明顯的規(guī)律，早就為人們所注意。各樣原子光譜線的規(guī)律性的研究正是第一在氫原子上獲取打破的。氫原子又是一種典型的最適合于進行理論與實驗比較的原子。2（世紀上半葉對氫原子光譜的各種研究在量子論的發(fā)展中多次起過重要作用。1913年玻爾成立了半經(jīng)典的氫原子理論，成功地解說了包含巴爾末線系在內(nèi)的 氫光譜的規(guī)律。事實上氫的每一條譜線都不是一條獨自的線，都擁有精美結構， 可是用一般的光譜儀器難以分

24、辨，因此被看作單唯一條線而已。這一事實意味著氫原子的每一條譜線都擁有精美結構。1916年索末菲考慮到氫原子中電子在橢圓軌道上近期點的速度已靠近光速， 他依據(jù)相對論性力學修正了玻爾的理論，獲取氫原子能級精美結構的精準公式，但這還是一個半經(jīng)典理論的結果。1925年薛定諤成立了顛簸力學（即量子力學中的薛定諤方程），從頭解說了玻爾理論所獲取的氫原子能級。不久海森伯和約丹（1926年）依據(jù)相對論性薛定諤方程推得一個比索末菲所得的在理論基礎上更為堅固的結果，將這結果與托馬斯（1926年）推得的電子自旋軌道互相作用的結果歸并起來，也獲取了精準的氫原子能級精美結構公式。 只管這樣，依據(jù)該公式所得巴爾末系第一條

25、的（理論）精美結構與不停發(fā)展著的精美丈量中所得實驗結果對比，仍有約百分之幾的渺小差別。1947年藍姆和李瑟福用射頻波譜學方法，進一步必定了氫原子第二能級中軌道角動量為零的一個能級的確比上述精準公式所預知的 超出1057MHz （乘以普朗克常數(shù)即得相應的能量值），這就是出名的藍姆挪動。直到1949年利用量子 力學理將子與磁的互相作用考在內(nèi)， 量子力學的一重要依據(jù)。一事才獲取認識， 成1885年）來表示，即(14)式中n整數(shù)3, 4, 5，。往常稱些0 n 24巴末系。了更清楚地表示 散布律，將式（14）改寫作HR(15)式中RH稱 的里德伯常數(shù)。上式右的整數(shù)2成1, 3, 4，可得的其余系。以些

26、 公式基，玻成立了原子的理（玻模型），進而解了氣體放 的光程。依據(jù)玻理，每條 于原子從一個能 遷到另一個能所射的光子。依照個模型獲取的巴末系的理公式 HYPERLINK l bookmark100 o Current Document 1122me 4（ 11 ）_ =2 1（16）赤 f 4伍匕（m ）1 22 n2,叩 ）2h c ,1 +礦 */I J式中0真空介常數(shù)，h普朗克常數(shù)，C光速，e子荷，m 子量，M核的量。，不 巴末的公式作了物理解，并且把里德伯常數(shù)和多基本物理常數(shù)系起來了，即m -1R H ；R1+一H 皿V M )(17)此中R：，將核的量8（假設核固定不）的里德伯常數(shù)，

27、12 2 me4R OC 4 0 2! h3c比式（15）和式（16），能夠看到它在形式上是一的。所以式（合程度，成 玻理正確性的重要依照之一。表示式（度是相當高的。自然就其理 展的作用來，公式（18）16 ）和果的符16 ）與數(shù)據(jù)的切合程16）在當前的科學研究中已不再是?？墒且驗槔锏虏?shù)的定比起一般的基本物理常數(shù)而言能夠達到更高的精度，因此 成 準基本物理常數(shù)的重要依照之一，據(jù)有很重要的地位。當前的公-1Ry- = (10 973 731.534 0.013)mM 子的量m/M= (5 446 170 .13 0.1DX 10-10，代入式子中可得Rh= ( 10 967 758.306 0.013)m-1三、實驗儀器器框在可光地區(qū)的 能夠用巴末 公式（圖9實驗儀器框圖此中WGD-8A 型組合式多功能光柵光譜儀及其應用軟件使用詳見其使用說明書。四、實驗內(nèi)容與數(shù)據(jù)辦理.閱讀有關資料，熟習儀器功能及實驗原理；.熟習儀器結構與面板接線；.閱讀儀器使用說明書，按程序進入光譜采集辦理平臺，熟習平臺界面；.采納光電倍增管做光譜接收端，利用已知特點波長的Na光源（Na雙線波長分別為588.9963nm 和 589.5930nm）進行波長定標；.用已經(jīng)定標的界