微機棱鏡攝譜儀實驗論文

1、 普通物理實驗C課程論文題 目CCD微機棱鏡攝譜儀實驗研究學(xué) 院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè) 物理學(xué)（師范）年 級 級學(xué) 號 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 論 文 成 績_答 辯 成 績 _2013年 12 月 14 日 目錄摘要：3引言4一、實驗項目名稱5二、實驗?zāi)康?三、實驗原理5四、實驗裝置介紹及示意圖7六、實驗結(jié)果及分析12七、誤差來源分析16參考文獻：16致謝：17CCD微機棱鏡攝譜儀實驗研究物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715摘要：光譜學(xué)研究的是各物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作用。光譜是電磁波輻射按照波長的有序排列，通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)、化學(xué)

2、鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識，在化學(xué)分析中也提供了重要的定性與定量的分析方法。發(fā)射光譜可以分為三種不同類別的光譜：線狀光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜。線狀光譜主要產(chǎn)生于原子，帶狀光譜主要產(chǎn)生于分子，連續(xù)光譜則主要產(chǎn)生于白熾的固體或氣體放電。隨著科技的進步，當今先進的光譜實驗室已不再使用照相干版法獲得光譜圖形，所使用的都是以CCD器件為核心構(gòu)成的各種光學(xué)測量儀器。PSP05型CCD微機棱鏡攝譜儀測量系統(tǒng)采用線陣CCD器件接收光譜圖形和光強分布，利用計算機的強大數(shù)據(jù)處理能力對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，通過直觀的方式得到我們需要的結(jié)果。關(guān)鍵詞：CCD、攝譜儀、光譜、波長、物質(zhì)結(jié)構(gòu)引言隨著科技

3、的進步，當今先進的光譜實驗室已不再使用照相干版法獲得光譜圖形，所使用的都是以CCD器件為核心構(gòu)成的各種光學(xué)測量儀器。光譜學(xué)研究的是各物質(zhì)的光譜的產(chǎn)生及其同物質(zhì)之間的相互作用。光譜是電磁波輻射按照波長的有序排列，通過光譜的研究，人們可以得到原子、分子等的能級結(jié)構(gòu)、電子組態(tài)、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識，在化學(xué)分析中也提供了重要的定性與定量的分析方法。PSP05型CCD微機棱鏡攝譜儀測量系統(tǒng)采用線陣CCD器件接收光譜圖形和光強分布，利用計算機的強大數(shù)據(jù)處理能力對采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，通過直觀的方式得到我們需要的結(jié)果。與其他產(chǎn)品相比，PSP05型攝譜儀具有分辨率高（微米級），實

4、時采集、實時處理和實時觀測，觀察方式多樣，物理現(xiàn)象顯著，物理內(nèi)涵豐富，軟件功能強大等明顯的優(yōu)點，是傳統(tǒng)棱鏡攝譜儀的升級換代產(chǎn)品。一、實驗項目名稱CCD微機棱鏡攝譜儀實驗研究二、實驗?zāi)康? 了解小型攝譜儀的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法。2 學(xué)習(xí)攝譜儀的定標方法及物理量的比較測量方法（線形插值法）。3 觀察分析物質(zhì)的發(fā)射光譜，利用棱鏡攝譜儀測量物質(zhì)光譜線波長。三、實驗原理1.儀器的分辨本領(lǐng)儀器分辨本領(lǐng)是指在用攝譜儀攝取波長為附近的光譜時，剛剛能分辨出兩譜線的波長差。用R表示，式中d為能夠分辨的兩譜線波長差。顯然d值越小，攝譜儀分辨光譜的能力越高。棱鏡的分辨本領(lǐng)式中的b是棱鏡的底邊長，是棱鏡材料的折射率隨波

5、長的變化率；可見，要提高棱鏡攝譜儀的光譜分辨本領(lǐng)，必須選用高色散率的材料制作色散棱鏡，且底邊b要寬。棱鏡的R大約可以達到的數(shù)量積。2光譜和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系每種物質(zhì)的原子都有自己的能級結(jié)構(gòu)，原子通常處于基態(tài)，當受到外部激勵后，可由基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，處于高能級的原子很快就返回基態(tài)，此時發(fā)射出一定能量的光子，光子的波長（或頻率）由對應(yīng)兩能級之間的能量差決定。，和分別表示原子處于對應(yīng)的激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能量，即：，得：，式中，i=1，2，3，h為普朗克常數(shù)，c為光速。每一種元素的原子，經(jīng)激發(fā)后再向低能級躍遷時，可發(fā)出包含不同頻率（波長）的光，這些光經(jīng)色散元件即可得到一對應(yīng)的光譜。

6、此光譜反映了該物質(zhì)元素的原子結(jié)構(gòu)特征，故稱為該元素的特征光譜。通過識別特征光譜，就可對物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)進行分析。3棱鏡攝譜儀的工作原理復(fù)色光經(jīng)色散系統(tǒng)（棱鏡）分光后，按波長的大小依次排列的圖案，稱為光譜。棱鏡攝譜儀的構(gòu)造由準直系統(tǒng)、偏轉(zhuǎn)棱鏡、成像系統(tǒng)、光譜接收四部分組成。按所適用波長的不同，攝譜儀可分為紫外、可見、紅外三大類，它們所使用的棱鏡材料是不同的：對紫外用水晶或螢石；對可見光用玻璃；對紅外線用巖鹽等材料。棱鏡把平行混合光束分解成不同波長的單色光根據(jù)的是折射光的色散原理。各向同性的透明物質(zhì)的折射率與光的波長有關(guān)，其經(jīng)驗公式是：，式中A、B、C是與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。由上式可知，短波長光的

7、折射率要大些，例如一束平行入射光由、三色光組成，并且，通過棱鏡后分解成三束不同方向的光，具有不同的偏向角d，其相對大小如圖1所示。圖1 棱鏡色散波長與偏向角d的關(guān)系圖小型攝譜儀常選用阿貝(Abbe)復(fù)合棱鏡，它是由兩個30°角折射棱鏡和一個45°角全反射棱鏡組成，如圖2所示。本實驗系統(tǒng)就是利用棱鏡的色散特性進行工作的攝譜儀。在攝譜儀中，棱鏡的主要作用是用來分光，即利用棱鏡對不同波長的光有不同折射率的性質(zhì)來分析光譜。折射率n與光的波長有關(guān)。當一束白光或其它非單色光入射棱鏡時，由于折射率不同，不同波長（顏色）的光具有不同的偏向角d，從而出射線方向不同。通常棱鏡的折射率n是隨波長

8、的減小而增加的（正常色散），所以可見光中紫光偏折最大，紅光偏折最小。一般的棱鏡攝譜儀都是利用這種分光作用制成的。攝譜儀的光學(xué)系統(tǒng)如圖3所示，自光源S發(fā)出的光，通過調(diào)節(jié)狹縫大小獲得一寬度、光強適中的光束，此光束經(jīng)準直透鏡后成平行光射到棱鏡上，再經(jīng)棱鏡色散，由成像系統(tǒng)成像于接收系統(tǒng)上。圖2 阿貝復(fù)合棱鏡圖3 攝譜儀系統(tǒng)光路圖4用線形內(nèi)插法求待測波長這是一種近似測量波長的方法。一般情況下，棱鏡是非線性色散元件，但是在一個較小的波長范圍內(nèi)，可以認為色散是均勻的，即認為CCD上接收的譜線的位置和波長有線性關(guān)系。如波長為的待測譜線位于已知波長和譜線之間，如圖4所示，它們的相對位置可以在CCD采集軟件上讀出

9、，如用d和x分別表示譜線和的間距及和的間距，那么待測線波長為：。四、實驗裝置介紹及示意圖（見下圖5）下面分別介紹攝譜儀的幾個主要元部件。（1）可調(diào)狹縫可調(diào)狹縫是光譜儀中最精密、最重要的機械部分，它用來限制入射光束，構(gòu)成光譜的實際光源，直接決定譜線的質(zhì)量。狹縫是由一對能對稱分合的刀口片組成，其分合動作由手輪控制。手輪是保持狹縫精密的重要部分，因此轉(zhuǎn)動手輪時一定要用力均勻、輕柔，狹縫蓋內(nèi)裝有能左右拉動的哈特曼欄板。 （2）準直系統(tǒng)光源S發(fā)出的光，經(jīng)可調(diào)狹縫后，經(jīng)過透鏡L1、L2后成一束平行光入射到恒偏轉(zhuǎn)棱鏡上。實驗過程中需微調(diào)可調(diào)狹縫的位置，當狹縫的位置處于L1、L2組合透鏡的焦距上時，從透鏡L2

10、出射的光線為平行光。（3）色散系統(tǒng)色散系統(tǒng)是一個恒偏轉(zhuǎn)棱鏡，它使光線在色散的同時又偏轉(zhuǎn)64.1°。棱鏡本身也可繞鉛直軸轉(zhuǎn)動。（4）成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)是平行光線經(jīng)棱鏡色散后的聚焦部分?？梢酝ㄟ^調(diào)焦手輪作前后移動進行調(diào)焦，調(diào)焦幅度約為40mm。成像效果可以通過旋轉(zhuǎn)反光鏡，將光線反射至毛玻璃上，用看譜鏡透過看譜窗觀察光譜。（5）接收系統(tǒng)PSP05型CCD微機棱鏡攝譜儀采用的是線陣CCD來接收光譜的光強分布，代替了傳統(tǒng)的膠片曝光法，操作方便，提高了實驗精度及實驗數(shù)據(jù)處理能力。CCD光強分布測量儀其核心是線陣CCD器件。CCD器件是一種可以電掃描的光電二極管列陣，有面陣（二維）和線陣（一維）之分

11、。PSP05型CCD光強儀所用的是線陣CCD器件，性能參數(shù)如下表。表1 CCD器件性能參數(shù)表光敏元素光敏元尺寸光敏元中心距光譜響應(yīng)范圍光譜響應(yīng)峰值2160個14m×14m14m(0.30.9) m0.56mCCD電路盒上有1只DIP開關(guān)，改變這個時鐘頻率DIP開關(guān)的設(shè)置就改變了CCD器件對光信號的積分時間。積分時間越長，光電靈敏度越高，時鐘頻率DIP開關(guān)有5檔，每檔間是二進制關(guān)系，積分時間按1，2，4，8，16倍增加。第1檔頻率最高（每秒10幀），一般放在1檔上。DB9插座，用來將CCD光強分布測量儀與USB100 計算機數(shù)據(jù)采集盒相連。在電路盒上有1個調(diào)整掃描基線上下位置的小孔，掃

12、描基線調(diào)整孔內(nèi)有一只小電位器，用于調(diào)整“零光強”時掃描線在顯示器上的位置，調(diào)整時用鐘表起或小起子細心微微旋轉(zhuǎn)，順時針轉(zhuǎn)動時，掃描基線將向上移動；反之，基線將下降。狹縫準直系統(tǒng)棱鏡暗盒棱鏡臺旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)成像系統(tǒng)成像調(diào)焦機構(gòu)CCD光強分布測量儀反光鏡旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪看譜窗光源（選配件，可自配）防護罩燈具管鎖緊螺釘?shù)妆P整套PSP05CCD微機攝譜儀的實驗裝置如下圖5所示，具體安裝如圖5 CCD型棱鏡攝譜儀整體裝置圖五、實驗步驟（一）、CCD攝譜儀的調(diào)節(jié)整套PSP05CCD微機攝譜儀的實驗裝置如上圖5所示，具體安裝調(diào)節(jié)步驟如下：1 實驗系統(tǒng)應(yīng)平穩(wěn)放置在實驗工作平臺上。2 轉(zhuǎn)動棱鏡旋轉(zhuǎn)臺調(diào)節(jié)旋鈕，將旋轉(zhuǎn)指示

13、指針移動至實驗儀器面板的標度指示中心位置。3 打開棱鏡盒上蓋，將棱鏡放置在棱鏡旋轉(zhuǎn)臺上面，放置位置可參照旋轉(zhuǎn)臺上面標示的放置位置（劃線表示），這樣可以節(jié)省調(diào)節(jié)時間。用壓片稍微壓緊棱鏡。4 在準直系統(tǒng)前部放置光源，點亮光源，將其正對平行光管通光口徑。將反光鏡旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手輪順時針旋至底，微調(diào)棱鏡，使得通過看譜窗看到的光斑最強，壓緊棱鏡，并保持光斑在看譜窗的中心位置。壓緊棱鏡時，壓力不要過大以防棱鏡變形或破碎。5 取出可調(diào)狹縫，旋下其保護罩（切記），將其通光口徑調(diào)節(jié)至0.5mm左右，安裝在平行光管上。狹縫應(yīng)安裝在垂直位置，否則譜線將成傾斜狀，此時可轉(zhuǎn)動可調(diào)狹縫，直至底片上的譜線在鉛垂方向為止，再調(diào)節(jié)可

14、調(diào)狹縫調(diào)節(jié)手輪，使狹縫通光口徑緩慢變小，同時用看譜鏡觀察看譜窗上的譜線變化，直至所見譜線亮度、寬度適中，譜線成像清晰為止，停止調(diào)節(jié)手輪。若譜線不能完全充滿看譜窗橫向視場，則說明棱鏡旋轉(zhuǎn)平臺不平整，應(yīng)加以調(diào)節(jié)，此時可以微調(diào)棱鏡旋轉(zhuǎn)平臺上的3個十字調(diào)節(jié)螺釘(如圖6所示)，調(diào)節(jié)時注意觀察變化規(guī)律，直至譜線充滿看譜窗橫向視場為止。若看譜窗上的譜線成像始終模糊，應(yīng)改變可調(diào)狹縫刀口與準直物鏡之間的距離，當狹縫刀口正好處于組合準直物鏡的焦距上時成像效果最佳，此時在看譜窗的所見的譜線，寬度、亮度適中，成像清晰。旋緊狹縫和棱鏡壓片固定螺釘。圖6 棱鏡旋轉(zhuǎn)平臺俯視圖調(diào)節(jié)螺釘6 用一譜線已知的光源（如鈉燈、汞燈或其

15、它一已知光源）定標。將定標光源正對狹縫刀口，此時可以調(diào)節(jié)棱鏡旋轉(zhuǎn)臺調(diào)節(jié)旋鈕，在CCD可見視場內(nèi)盡可能出現(xiàn)最多的譜線，這樣便于定標和實驗譜線的比較，從而方便數(shù)據(jù)處理，減小實驗誤差。將反光鏡旋轉(zhuǎn)手輪逆時針旋轉(zhuǎn)至底。利用本實驗系統(tǒng)自帶的采集軟件采集譜線，并保存譜線樣本（軟件具體操作方法見軟件使用說明書）。若CCD接收的譜線水平幅度較寬，可以微調(diào)成像系統(tǒng)的微調(diào)手輪和像面傾斜螺釘，在軟件界面上得出較為理想的曲線。7 在不改變?nèi)魏喂鈱W(xué)系統(tǒng)的前提下，即不改變狹縫位置，不旋轉(zhuǎn)棱鏡旋轉(zhuǎn)臺，不調(diào)節(jié)成像微調(diào)手輪。移去定標光譜燈，將待測光譜燈移近狹縫，并正對好狹縫刀口，利用CCD采集待測樣本曲線，并保存樣本曲線。8

16、對比定標光譜曲線和待測光譜曲線，得出兩光譜各譜線之間的相對位置關(guān)系，利用線性插值法（注意：相鄰譜線間隔不能相差過大，否則會增大實驗誤差），計算出待測光譜線波長，并與給出的標準譜線波長值比較，得出實驗誤差。9 實驗結(jié)束后，不要將可調(diào)狹縫刀口長時間處于緊閉狀態(tài)。（二）、定標1.用一譜線已知的光源（本實驗用得是鈉光源）定標。將鈉光源點亮，穩(wěn)定后放置在平行光管前。2.打開工作軟件，點擊“文件”下的“開始采集”按鈕采集譜線，微調(diào)鈉光燈使電腦窗口顯示的譜線清晰，可看到清晰的鈉雙線。點擊“停止采集”按鈕。移動藍色的取樣框（按住鼠標左鍵）到鈉雙線處，將鼠標移至右面，選擇“A/D”值最大時（可使用鍵盤上的方向鍵

17、）按下鼠標左鍵，輸入“589. 6 nm”，可點擊“查看數(shù)據(jù)”下的“放大局部視窗”放大視窗準確定標，記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，以防軟件問題而造成的數(shù)據(jù)丟失；之后鼠標移至右邊的譜線處輸入“589. 0 nm”，完成定標。 （三）、測量He光譜1.定標好后，在不改變?nèi)魏喂鈱W(xué)系統(tǒng)的前提下，移去定標光譜燈，將氦燈放在與定標光譜燈的同一位置，并且正對好狹縫刀口。點擊“文件”下的“開始采集”按鈕，微調(diào)氦燈的位置使電腦窗口顯示的譜線清晰，點擊“停止采集”按鈕。2.移動藍色的取樣框（按住鼠標左鍵）到譜線處，將鼠標移至右邊的譜線處，點擊右鍵，彈出一對話框，按下“由列表選定標譜線1”，選擇一之前鈉燈定標的譜線；同樣方法，在“

18、由列表選定標譜線2”選擇另一定標的譜線，后計算待測波長。3.得出一條譜線的測量值之后，記錄數(shù)據(jù)。依照此方法，測量出其他幾條譜線。4.關(guān)閉實驗儀器，整理實驗數(shù)據(jù)。注意實驗結(jié)束后，不要將可調(diào)狹縫刀口長時間處于緊閉狀態(tài)。（四）、注意事項：1 因光譜線相對于環(huán)境光顯得有點暗弱，本實驗應(yīng)盡量安排在暗室中進行，這樣比較利于光譜的觀察和辨別。2 CCD電路盒上有1只DIP開關(guān)，改變這個時鐘頻率DIP開關(guān)的設(shè)置就改變了CCD器件對光信號的積分時間。積分時間越長，光電靈敏度越高，時鐘頻率DIP開關(guān)有5檔，每檔間是二進制關(guān)系，積分時間按1，2，4，8，16倍增加。第1檔頻率最高（每秒10幀），一般放在1檔上。DB

19、9插座，用來將CCD光強分布測量儀與計算機數(shù)據(jù)采集盒相連。在電路盒上有1個調(diào)整掃描基線上下位置的小孔，掃描基線調(diào)整孔內(nèi)有一只小電位器，用于調(diào)整“零光強”時掃描線在顯示器上的位置，調(diào)整時用鐘表起或小起子細心微微旋轉(zhuǎn)，順時針轉(zhuǎn)動時，掃描基線將向上移動；反之，基線將下降。通常基線位置應(yīng)調(diào)節(jié)在滿幅度的10%左右。3 如果采集到的光譜線出現(xiàn)大面積“削頂”，則有兩種可能：一是CCD器件飽和，說明光信號過強，這時可以將光源稍微離開光源一點距離；二是軟件中選項里的增益參數(shù)調(diào)得過大，應(yīng)使之減?。ㄒ话阍鲆嬷脼?）。4 如發(fā)現(xiàn)采集的光譜曲線上毛刺較多，檢查狹縫刀口是否有塵埃，可用蠶絲棉沾取酒精小心擦拭。5 在安裝調(diào)

20、節(jié)棱鏡時，手指只能接觸棱鏡的棱邊，勿接觸光學(xué)面，避免污染光學(xué)面，從而影響實驗效果；在壓緊棱鏡時，切勿用力過大，謹防壓壞棱鏡。6 可調(diào)狹縫是光譜儀中非常重要的機械部件，它用來限制入射光束并構(gòu)成光譜的實際光源，其直接決定譜線的質(zhì)量，因此要特別愛護好可調(diào)狹縫。不要使刀口處于緊閉的狀態(tài)，因為刀口比較銳利，相互緊閉容易產(chǎn)生卷邊而使刀口受到損傷與破壞。因此操作手輪調(diào)整狹縫寬度時要細心，旋轉(zhuǎn)時用力要小而均勻，而且要慢慢地旋轉(zhuǎn)，千萬不要急促地快轉(zhuǎn)，因為狹縫部件上的零件都比較精密，彈簧力量比較小，如果猛然或快速旋轉(zhuǎn)會使之受沖擊力而影響?yīng)M縫的精度和壽命，這一點必須注意。7 在調(diào)節(jié)狹縫寬度時，最好在開啟方向進行，因

21、為狹縫是在彈簧力量作用下關(guān)閉的，由于要克服機構(gòu)中的磨擦，因此狹縫刀片的運動可能滯后，從開啟方向開始調(diào)節(jié)可消除上述誤差。8 為了保護刀刃免遭機械損壞，以及避免灰塵和臟物的入侵，在使用完畢后，必須馬上給狹縫旋上保護罩，不要長時間直接暴露在空氣中。9 在進行數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)先接DB15串口線，再接USB線，否則容易死機。六、實驗結(jié)果及分析1. 定標光譜（鈉光燈） 表2 Na燈光譜表燈源譜線波長（nm）顏色鈉（Na）589.6黃色（D雙線）589.0采用線陣CCD采集的鈉雙線（定標譜線），其中CCD的規(guī)格為：1414um,2160像元，定標圖如下： 圖7 鈉雙線定標譜線圖2. 氦光譜的測量及實驗誤差：表3 測量氦光波長實驗數(shù)據(jù)記錄表燈源理論譜線顏色實驗測的譜位置相對誤差波長（nm）線波長（nm）氦燈（He）706.6 紅667.8紅587.6黃704.