光柵光譜儀實驗

1、編輯課件1 1近代物理實驗近代物理實驗光柵光譜儀實驗光柵光譜儀實驗2 2編輯課件提要提要 實驗背景 實驗?zāi)康?實驗儀器 實驗原理 思考問題 注意事項3 3編輯課件1.光譜：光譜：按一定次序排列的彩色光帶。按一定次序排列的彩色光帶。2.2.光譜分類：光譜分類：（1 1）按照波長劃分）按照波長劃分: :射線射線(0.04nm(0.04nm以下以下),X),X射線射線(0.04(0.045nm),5nm),光學(xué)光譜光學(xué)光譜(5nm(5nm600m),600m),微波波譜微波波譜(1mm(1mm1m)1m)。通常所說的光譜僅指光學(xué)光譜。通常所說的光譜僅指光學(xué)光譜。（2 2）按其外形劃分）按其外形劃分：

2、連續(xù)光譜、帶光譜和線光：連續(xù)光譜、帶光譜和線光譜。譜。（3 3）按照電磁輻射的本質(zhì)劃分）按照電磁輻射的本質(zhì)劃分：分子光譜、原：分子光譜、原子光譜、子光譜、X X射線能譜和射線能譜和射線能譜。射線能譜。 實驗實驗背景背景4 4編輯課件 光 譜發(fā)射光譜定義：由發(fā)光體直接產(chǎn)生的光譜連續(xù)光譜產(chǎn)生條件：熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā) 光形成的光譜的形式：連續(xù)分布，一切波長的光都有線狀光譜產(chǎn)生條件：稀薄氣體發(fā)光形成的光譜光譜形式：一些不連續(xù)的明線組成，不同元素的明線光譜不同（又叫特征光譜）吸收光譜定義：連續(xù)光譜中某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜產(chǎn)生條件：熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體后，再色散形成的光譜

3、形式：用分光鏡觀察時，見到連續(xù)光譜背景上出現(xiàn)一些暗線（與特征譜線相對應(yīng)）3. 3. 光譜的特點及成因：光譜的特點及成因：5 5編輯課件 光譜分析：光譜分析：由于每一種元素都有自己的特由于每一種元素都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。定它的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。 光譜儀：光譜儀：光譜儀是指利用折射或衍射產(chǎn)生光譜儀是指利用折射或衍射產(chǎn)生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量和分析中最常用的儀器，譜測量和分析中最常用的儀器， 6 6編輯課件1. 1. 了解光

4、柵光譜儀的工作原理了解光柵光譜儀的工作原理2. 2. 掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行測量掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行測量 的技術(shù)的技術(shù) 實驗實驗?zāi)康哪康? 7編輯課件 WDS8A WDS8A型組合式多功能光柵光譜儀型組合式多功能光柵光譜儀 計算機(jī)計算機(jī) 氘燈、鈉燈、汞燈等各種光源氘燈、鈉燈、汞燈等各種光源 實驗實驗儀器儀器8 8編輯課件1. 光柵光譜儀光柵光譜儀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖示意圖由入射狹縫由入射狹縫S1S1、準(zhǔn)直球面反射鏡、準(zhǔn)直球面反射鏡M1M1、光柵、光柵G G、聚焦球面反射鏡聚焦球面反射鏡M2M2以及輸出狹縫以及輸出狹縫S2S2構(gòu)成構(gòu)成。 實驗實驗原理原理9 9編輯課件衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器

5、件 它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面（可它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面（可以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射試驗射光柵。膜或介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射試驗射光柵。相鄰刻線的間距相鄰刻線的間距d d稱為光柵常數(shù)，通常刻線密稱為光柵常數(shù)，通?？叹€密度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。譜儀狹縫平行。 1010編輯課件光柵方程光柵方程(sinsin) (1.1)dm為入射角，為入射角，為衍射角，為衍射角，

6、其中：其中：衍射角度隨波長的變化關(guān)系，稱為光柵的角色散特性，衍射角度隨波長的變化關(guān)系，稱為光柵的角色散特性，當(dāng)入射角給定時，可以由光柵方程導(dǎo)出：當(dāng)入射角給定時，可以由光柵方程導(dǎo)出： (1.2)cosdmdd1111編輯課件復(fù)色入射光進(jìn)入狹縫復(fù)色入射光進(jìn)入狹縫S1S1后，經(jīng)后，經(jīng)M2M2變成復(fù)色平行光照變成復(fù)色平行光照射到光柵射到光柵G G上，經(jīng)光柵色散后，形成不同波長的平行上，經(jīng)光柵色散后，形成不同波長的平行光束并以不同的衍射角度出射，光束并以不同的衍射角度出射，M2M2將照射到它上面將照射到它上面的某一波長的光聚焦在出射狹縫的某一波長的光聚焦在出射狹縫S2S2上，再由上，再由S2S2后面后面

7、的電光探測器記錄該波長的光強(qiáng)度。的電光探測器記錄該波長的光強(qiáng)度。 1212編輯課件光柵光柵G G安裝在一個轉(zhuǎn)臺上，當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)時，就將不同安裝在一個轉(zhuǎn)臺上，當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)時，就將不同波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上，光電探測器波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上，光電探測器記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波長）時的輸出光信號強(qiáng)度，即記錄了光譜。這種光長）時的輸出光信號強(qiáng)度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進(jìn)行記錄，稱為譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進(jìn)行記錄，稱為光柵單色儀。光柵單色儀。1313編輯課件2cossindm在使用單色儀時

8、，對波長進(jìn)行掃描是通過旋轉(zhuǎn)光柵在使用單色儀時，對波長進(jìn)行掃描是通過旋轉(zhuǎn)光柵來實現(xiàn)的。通過光柵方程可以給出出射波長和光柵來實現(xiàn)的。通過光柵方程可以給出出射波長和光柵角度之間的關(guān)系（如圖所示）角度之間的關(guān)系（如圖所示） 其中：其中：為光柵的旋轉(zhuǎn)角度，為光柵的旋轉(zhuǎn)角度，為入射角和衍射角之和的一半，為入射角和衍射角之和的一半，為一常數(shù)。為一常數(shù)。對給定的單色儀來說，對給定的單色儀來說，1414編輯課件有三個部分：有三個部分：1 1 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)2 2 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)3 3 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)WDSWDS系列多功能光柵光譜儀結(jié)構(gòu)框圖如圖所示系列多功能光柵光譜儀結(jié)構(gòu)框圖如圖所示 實驗實驗裝置裝置151

9、5編輯課件M1M1準(zhǔn)光鏡、準(zhǔn)光鏡、M2M2物鏡、物鏡、M3M3轉(zhuǎn)鏡、轉(zhuǎn)鏡、G G平面衍射光柵平面衍射光柵、S1S1入射狹縫、通過旋轉(zhuǎn)入射狹縫、通過旋轉(zhuǎn)M3M3選擇出射狹縫選擇出射狹縫S2S2或或S3S3從而選擇接收器件類型，出射狹縫為從而選擇接收器件類型，出射狹縫為S2S2則為光電倍增管或硫化鉛、鉭酸鋰、則為光電倍增管或硫化鉛、鉭酸鋰、TGSTGS等接等接收器件；出射狹縫為收器件；出射狹縫為S3S3則為則為CCDCCD接收器件。接收器件。 光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)光譜儀光學(xué)系統(tǒng)光譜儀光學(xué)系統(tǒng)采用采用C-TC-T型，如型，如圖所示：圖所示：1616編輯課件入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍入射狹縫、

10、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0 02mm2mm連續(xù)可連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1S1，S1S1位于反射式準(zhǔn)光位于反射式準(zhǔn)光鏡鏡M2M2的焦面上，通過的焦面上，通過S1S1射入的光束經(jīng)射入的光束經(jīng)M2M2反射成平行光束投反射成平行光束投向平面光柵向平面光柵G G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M2M2成像在成像在S2S2上上，或經(jīng)物鏡，或經(jīng)物鏡M2M2和和M3M3平面鏡成像在平面鏡成像在S3S3上。上。 光源系統(tǒng)為儀器提供工作光源，可選氘燈、鎢燈、鈉燈光源系統(tǒng)為儀器提供工作光源，可選氘燈、鎢燈、鈉燈、汞燈等各種光源。、汞燈等各種光源。

11、1717編輯課件2 2 電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號放大系電子系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、統(tǒng)、A/DA/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光源系統(tǒng)等部分組成。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光源系統(tǒng)等部分組成。電源系統(tǒng)為儀器提供所需的工作電壓；接受系電源系統(tǒng)為儀器提供所需的工作電壓；接受系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號放大器系統(tǒng)包統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號放大器系統(tǒng)包括前置放大器和放大器兩個部分；括前置放大器和放大器兩個部分；A/DA/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便計算機(jī)進(jìn)行將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便計算機(jī)進(jìn)行處理。處理。1818編輯課件3 3 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要功能有：

12、儀器系統(tǒng)復(fù)位、光譜掃描、軟件系統(tǒng)主要功能有：儀器系統(tǒng)復(fù)位、光譜掃描、各種動作控制、測量參數(shù)設(shè)置、光譜采集、光譜數(shù)各種動作控制、測量參數(shù)設(shè)置、光譜采集、光譜數(shù)據(jù)文件管理、光譜數(shù)據(jù)的計算等。據(jù)文件管理、光譜數(shù)據(jù)的計算等。WDSWDS系列多功能光柵光譜儀的控制操作由計算機(jī)操系列多功能光柵光譜儀的控制操作由計算機(jī)操作和手工操作來完成。單色儀的入射狹縫寬度、出作和手工操作來完成。單色儀的入射狹縫寬度、出射狹縫寬度和負(fù)高壓（光電倍增管接收系統(tǒng)）不受射狹縫寬度和負(fù)高壓（光電倍增管接收系統(tǒng)）不受計算機(jī)控制用手工設(shè)置以外，其它的各項參數(shù)設(shè)置計算機(jī)控制用手工設(shè)置以外，其它的各項參數(shù)設(shè)置和測量均由計算機(jī)來完成。和測

13、量均由計算機(jī)來完成。 1919編輯課件WDSWDS系列多功能光柵光譜儀器系統(tǒng)操系列多功能光柵光譜儀器系統(tǒng)操作軟件根據(jù)型號不同和接收儀器不作軟件根據(jù)型號不同和接收儀器不的同配有的同配有PMTPMT操作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)和CCDCCD操作系操作系統(tǒng)。每一系統(tǒng)均可采用快捷鍵和下統(tǒng)。每一系統(tǒng)均可采用快捷鍵和下拉菜單來進(jìn)行儀器操作。拉菜單來進(jìn)行儀器操作。 2020編輯課件3.1 PMT3.1 PMT操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)3.1.1 3.1.1 開機(jī)與系統(tǒng)復(fù)位開機(jī)與系統(tǒng)復(fù)位確認(rèn)光柵光譜儀已經(jīng)正確連接并打開電源。確認(rèn)光柵光譜儀已經(jīng)正確連接并打開電源。在在WONDOWSWONDOWS操作系統(tǒng)中，從操作系統(tǒng)中，從“開始開

14、始”“程序程序”“WDS“WDS系列光柵光譜儀系列光柵光譜儀”中執(zhí)行相應(yīng)的中執(zhí)行相應(yīng)的PMTPMT可執(zhí)行程序，或雙擊桌面上的快捷方式，啟動系可執(zhí)行程序，或雙擊桌面上的快捷方式，啟動系統(tǒng)操作程序。統(tǒng)操作程序。在系統(tǒng)初始化過程后應(yīng)有波長復(fù)位正確的提示，在系統(tǒng)初始化過程后應(yīng)有波長復(fù)位正確的提示，然后按然后按“確定確定”進(jìn)入系統(tǒng)操作主界面。進(jìn)入系統(tǒng)操作主界面。 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)2121編輯課件 參數(shù)設(shè)置參數(shù)設(shè)置 即根據(jù)測量需對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)即根據(jù)測量需對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。設(shè)置。 光譜掃描光譜掃描 根據(jù)當(dāng)前參數(shù)設(shè)置對當(dāng)前光譜進(jìn)行記錄根據(jù)當(dāng)前參數(shù)設(shè)置對當(dāng)前光譜進(jìn)行記錄。 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理

15、-讀取數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù) 讀取當(dāng)前圖譜的橫、縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可選讀取當(dāng)前圖譜的橫、縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可選擇擇 列表方式或光標(biāo)讀取方式。列表方式或光標(biāo)讀取方式。2222編輯課件 3.1.4 3.1.4 退出系統(tǒng)與關(guān)機(jī)退出系統(tǒng)與關(guān)機(jī) 當(dāng)系統(tǒng)測試結(jié)束后，將出射、入射狹當(dāng)系統(tǒng)測試結(jié)束后，將出射、入射狹縫調(diào)節(jié)至縫調(diào)節(jié)至0.1mm0.1mm左右，若有負(fù)高壓系統(tǒng)左右，若有負(fù)高壓系統(tǒng)，則將負(fù)高壓調(diào)節(jié)至零。點擊菜單欄中，則將負(fù)高壓調(diào)節(jié)至零。點擊菜單欄中“文件文件 退出系統(tǒng)退出系統(tǒng)”，按照提示關(guān)閉電，按照提示關(guān)閉電源退出儀器操作系統(tǒng)。源退出儀器操作系統(tǒng)。 2323編輯課件五五 實驗內(nèi)容和步驟實驗內(nèi)容和步驟 1 1、開機(jī)之前、開機(jī)

16、之前 請認(rèn)真檢查光柵光譜儀的各個部分（單色儀請認(rèn)真檢查光柵光譜儀的各個部分（單色儀主機(jī)、電控箱、接受單元、計算機(jī)、）連線主機(jī)、電控箱、接受單元、計算機(jī)、）連線是否正確，保證準(zhǔn)確無誤。是否正確，保證準(zhǔn)確無誤。 為了保證儀器的性能指標(biāo)和壽命，在每次使為了保證儀器的性能指標(biāo)和壽命，在每次使用完畢，將入射狹縫寬度、出射狹縫寬度分用完畢，將入射狹縫寬度、出射狹縫寬度分別調(diào)節(jié)到別調(diào)節(jié)到0.1mm0.1mm左右。在儀器系統(tǒng)復(fù)位完畢后左右。在儀器系統(tǒng)復(fù)位完畢后，根據(jù)測試和實驗的要求分別調(diào)節(jié)入射狹縫，根據(jù)測試和實驗的要求分別調(diào)節(jié)入射狹縫寬度、出射狹縫寬度到合適的寬度。寬度、出射狹縫寬度到合適的寬度。2424編輯

17、課件 2 2、接收單元、接收單元 WDS WDS系列多功能光柵光譜儀根據(jù)儀器型號的系列多功能光柵光譜儀根據(jù)儀器型號的不同配有光電倍增管、不同配有光電倍增管、CCDCCD、硫化鉛、鉭酸鋰、硫化鉛、鉭酸鋰、TGSTGS等不同接收單元。等不同接收單元。 注意，若采用光電倍增管作為接收單元，不注意，若采用光電倍增管作為接收單元，不一定要在光電倍增管加有負(fù)高壓的情況下，一定要在光電倍增管加有負(fù)高壓的情況下，使其暴露在強(qiáng)光下（包括自然光）。在使用使其暴露在強(qiáng)光下（包括自然光）。在使用結(jié)束后，一定要注意調(diào)節(jié)負(fù)高壓旋鈕使負(fù)高結(jié)束后，一定要注意調(diào)節(jié)負(fù)高壓旋鈕使負(fù)高壓歸零，然后再關(guān)閉電控箱。壓歸零，然后再關(guān)閉電控

18、箱。2525編輯課件 3 3、狹縫調(diào)節(jié)、狹縫調(diào)節(jié) 儀器的入射狹縫和出射狹縫均為直狹縫，寬儀器的入射狹縫和出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍度范圍02mm02mm連續(xù)可調(diào)，順時針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬連續(xù)可調(diào)，順時針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小。每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變度加大，反之減小。每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化化0.5mm0.5mm，最大調(diào)節(jié)寬度為，最大調(diào)節(jié)寬度為2mm2mm。為延長使用。為延長使用壽命，狹縫寬度調(diào)節(jié)時應(yīng)注意最大不要超過壽命，狹縫寬度調(diào)節(jié)時應(yīng)注意最大不要超過2mm2mm。儀器測量完畢或平常不使用時，狹縫最。儀器測量完畢或平常不使用時，狹縫最好調(diào)節(jié)到好調(diào)節(jié)到0.1mm05mm0.1mm05mm左右。左右

19、。2626編輯課件 4 4、電控箱的使用、電控箱的使用 電控箱包括電源、信號放大、控制系統(tǒng)和光電控箱包括電源、信號放大、控制系統(tǒng)和光源系統(tǒng)（氘燈和鎢燈可選件，不包括在光譜源系統(tǒng)（氘燈和鎢燈可選件，不包括在光譜儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置中）。在運(yùn)行儀器操作軟件儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置中）。在運(yùn)行儀器操作軟件前一定要確認(rèn)所有的連接線正確連接且已經(jīng)前一定要確認(rèn)所有的連接線正確連接且已經(jīng)打開電控箱的開關(guān)。打開電控箱的開關(guān)。2727編輯課件 5 5、采用標(biāo)準(zhǔn)光譜燈進(jìn)行波長校準(zhǔn)、采用標(biāo)準(zhǔn)光譜燈進(jìn)行波長校準(zhǔn) 光柵光譜儀由于運(yùn)輸過程中震動等各種原因，光柵光譜儀由于運(yùn)輸過程中震動等各種原因，可能會使波長準(zhǔn)確度產(chǎn)生偏差，因此在第一次使

20、可能會使波長準(zhǔn)確度產(chǎn)生偏差，因此在第一次使用前用已知的光譜線來校準(zhǔn)儀器的波長準(zhǔn)確度用前用已知的光譜線來校準(zhǔn)儀器的波長準(zhǔn)確度 在平常使用中，當(dāng)對光柵光譜儀器系統(tǒng)檢測發(fā)在平常使用中，當(dāng)對光柵光譜儀器系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)波長值與準(zhǔn)確波長不對應(yīng)時，可通過此項現(xiàn)系統(tǒng)波長值與準(zhǔn)確波長不對應(yīng)時，可通過此項對系統(tǒng)波長進(jìn)行校正，在對話框中輸入系統(tǒng)值與對系統(tǒng)波長進(jìn)行校正，在對話框中輸入系統(tǒng)值與實際波長值的差值，點擊確定即可。實際波長值的差值，點擊確定即可。2828編輯課件 零點波長校正零點波長校正 檢查儀器波長準(zhǔn)確度可用氘燈（標(biāo)準(zhǔn)值為檢查儀器波長準(zhǔn)確度可用氘燈（標(biāo)準(zhǔn)值為486.0nm486.0nm和和656.1nm656.1nm）、鈉燈（標(biāo)準(zhǔn)值為）、鈉燈（標(biāo)準(zhǔn)值為589.0nm589.0nm和和589.6nm589.6nm）、）、汞燈（標(biāo)準(zhǔn)值為汞燈（標(biāo)準(zhǔn)值為404.7nm 404.7nm 、435.8nm435.8nm、546.1nm546.1nm、577.0nm577.0nm、579.0nm579.0nm）以及其它已知光譜線的來源來進(jìn)）以及其它已知光譜線的來源來進(jìn)行。行。 例：例： 用氘燈譜線校準(zhǔn)用氘燈譜線校準(zhǔn) 利用氘燈的兩根譜線的波長值（標(biāo)準(zhǔn)值為利用氘燈的兩根譜線的波長值（標(biāo)準(zhǔn)值為486.0nm486.0nm和和