光栅光谱仪实验报告材料Word格式文档下载.docx
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2.学会使用光栅光谱仪。
2实验原理
1.光栅光谱仪
光栅光谱仪结构如图所示。
光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。
入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上,因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上,衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。
光栅可在步进电机控制下旋转,从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长。
控制入射光源的波长围,确保衍射光无级次重叠,可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。
光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCCD等多种,经过光栅衍射后,到达出射狭缝的光强一般都比较弱,因此本仪器采用光电倍增管和CCD来接收出射光。
2.光探测器
光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器,它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成,并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”)──阳极之间建立一个电位分布。
光辐射照射到阴极时,由于光电效应,阴极发射电子,把微弱的光输入转换成光电子;
这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦,光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极,产生二次电子,由于二次发射系数大于1,电子数得到倍增。
以后,电子再经倍增系统逐级倍增,阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号,在负载电阻上以电压信号的形式输出。
CCD是电荷耦合器件的简称,是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件,在电路中常作为信号处理单元。
对光敏感的CCD常用作图象传感和光学测量。
由于CCD能同时探测一定波长围的所有谱线,因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。
3.闪耀光栅
在光栅衍射实验中,我们了解了垂直入射时(Φ=90°
)光栅衍射的一般特性。
当入射角Φ=90°
时,衍射强度公式为
光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定,只不过此时
当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时,衍射角θ取+号,异侧时取-号。
单缝衍射中央主极大的条件是u=0,即sinΦ=-sinθ或Φ=θ。
将此条件代入到多缝干涉因子中,恰好满足v=0,即0级干涉大条件。
这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0级大位置是重合的(图9.1a),光栅衍射强度大的峰是个波长均不发生散射的0级衍射峰,没有实用价值。
而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。
为了提高信噪比,可以采用锯齿型的反射光栅(又称闪耀光栅)。
闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”。
与平面光栅一样,多缝干涉条件只取决于光栅常数,与锯齿角度、形状无关。
所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时,两者0级极大的角度也一样。
闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝,衍射条件与齿面法线有关。
,中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法线N,于是造成衍射极大与0级干涉极大方向不一致。
适当调整光栅参数,可以使光栅衍射的某一波长强峰发生在1级或其它高级干涉极大的位置。
图是平面光栅和闪耀光栅衍射各级谱线强度示意图。
闪耀光栅是许多光栅光谱仪中采用的色散器件。
3实验步骤
1.粗调狭缝宽度。
不打开光谱仪控制箱电源,取下入射狭缝前的光源,调节入射狭缝的缝宽,直接观察狭缝宽度的改变。
先顺时针调节,观察狭缝宽度逐渐增大,然后减小狭缝宽度至狭缝刚好完全关闭。
后,调节缝宽至约0.50mm。
同样,调节出射狭缝至0.5mm。
注意,出射狭缝后挂接着光电倍增管,光电倍增管只能接收微弱光强,不可在室照明强度下使用,因此实验过程中不可取下光电倍增管。
2.寻找狭缝的零点误差。
狭缝宽度由微分头调节,存在零点误差,我们可通过实际现象来判断。
打开光谱仪电源控制箱和计算机,启动光谱仪软件。
将溴钨灯安装到入射狭缝处(灯的前端接口与狭缝是配套的,可直接挂上),打开溴钨灯电源,调节电流至大。
调节负高压至300V,设在软件“参数设置”中选择工作模式为“能量”,间隔1.00nm,工作围(即起始波长和终止波长)为200-660nm,采集次数为25,其它参数不变。
点击菜单“定点”按钮,弹出的对话框中设置波长(500nm)和扫描时间(60s),设置后仪器将自动扫描至500nm处连续测量光强,60秒后停止。
在扫描过程中,分别调节入射和出射狭缝,可即时看到出射光强的变化。
保持出射狭缝0.50mm不变,减小入射狭缝,使光强刚好减小至零(或小到不变,光强一般至少小到10以下),此临界位置即为入射狭缝的零点。
同样,调节入射狭缝至0.50mm并保持不变,逐渐减小出射狭缝,使光强刚好减小至零(或小到不变),此临界位置即为出射狭缝的零点。
记录零点误差。
3.用钠灯双黄线校正光谱仪。
点亮钠灯,使其对准入射狭缝,调节入射狭缝为0.40mm,出射狭缝为0.20mm,工作围580-600nm,间隔0.01nm,负高压约300V,选择寄存器1)。
点击“单程”开始扫描,扫描结束后,如果谱线的最大值小于200或者大于950,则适当增大或减小负高压(以后所有的谱线都要满足这个条件,不再赘述),再次扫描。
得到合适的谱线后,用软件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线,并与理论值比较,如果误差超过1nm,则用软件的修正功能予以修正。
4.量高压汞灯光谱(入射狭缝为0.40mm,出射狭缝为0.20mm,200-630nm,间隔0.1nm,负高压与钠灯相当,选择寄存器2),寻峰,记录波长和相对光强。
与理论值比较,作标准值-测量值曲线图,并得出光谱仪的波长修正公式;
5.测量氢(或者氢氘)原子光谱。
氢灯灯管很细,注意尽量对准狭缝,负高压预设600V,如没有谱线,应左右移动氢灯使其对准狭缝再测(分三段测量,650-660nm,480-500nm,380-440nm,间隔0.01nm,分别选择寄存器3、4、5),寻峰,记录波长和相对光强,由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数,并与理论值比较;
4实验结果数据
1.出射狭缝的零点:
0.185mm
2.入射狭缝的零点:
-0.019mm
3.钠光灯校正光谱仪的波长:
校正前
校正后
4.高压汞灯光谱:
寻峰所得数据:
5.氢原子光谱:
380nm-440nm:
480nm-500nm:
650nm-660nm:
6.溴钨灯滤色片透过率曲线:
5数据处理
1.用汞光灯谱数据,作λ理—λ散散点图,拟合并得到曲线公式
2.作滤色片的透过率曲线
6实验总结
本次实验作为这学期的第一次实验,难度算一般,唯一的缺点在于本次实验比较费时间,而且反复性较强,一次成功比较难,故需要有一定耐心。
这次实验学习使用了光栅光谱仪并且对光谱有了一定的了解,并且了解了光栅光谱仪的原理,在数据处理上originlab的使用还不够熟练,需要探索并做到使用流畅,总之本次实验比较顺利。
7参考文献
[1]
江、肖井华、尚玉峰、程洪艳
近代物理实验讲义
[M]
P60~64
邮电大学理学院物理实验中心
[2]
多功能光栅光谱仪(单色仪):
.bb.ustc.edu./jpkc/guojia/dxwlsy/kj/part3/introduction/MFS.html
[3]
光栅光谱仪的定标:
phylab.fudan.edu./doku.php?
id=exp:
common:
dsydb
[4]晓冬,正灯,惠玲,周杰,钟远聪光栅光谱仪入射与出射狭缝宽度对测量谱线线宽影响研究
《嘉应学院学报》,2008,26(6):
38-41