光柵光譜儀實驗報告

1、光柵光譜儀的使用學(xué)號學(xué)生姓名張家梁專業(yè)名稱應(yīng)用物理學(xué)（通信基礎(chǔ)科學(xué)）所在系（院）理學(xué)院2017年3月14日光柵光譜儀的使用張家梁1 實驗?zāi)康?. 了解光柵光譜儀的工作原理。2. 學(xué)會使用光柵光譜儀。2 實驗原理1. 光柵光譜儀光柵光譜儀結(jié)構(gòu)如圖所示。光柵光譜儀的色散元件為閃耀光柵。入射狹縫和出射狹縫分別在兩個球面鏡的焦平面上，因此入射狹縫的光經(jīng)過球面鏡后成為平行光入射到光柵上，衍射光經(jīng)后球面鏡后聚焦在出射狹縫上。光柵可在步進電機控制下旋轉(zhuǎn)，從而改變?nèi)肷浣嵌群徒K聚焦到出射狹縫處光線的波長?？刂迫肷涔庠吹牟ㄩL范圍，確保衍射光無級次重疊，可通過控制光柵的角度唯一確定出射光的波長。光譜儀的光探測器可以

2、有光電管、光電倍增管、硅光電管、熱釋電器件和CCCD等多種，經(jīng)過光柵衍射后，到達出射狹縫的光強一般都比較弱，因此本儀器采用光電倍增管和CCD來接收出射光。光刪光詵儀結(jié)構(gòu)a）及電源控制箱（b）2. 光探測器光電倍增管是一種常用的靈敏度很高的光探測器，它由光陰極、電子光學(xué)輸入系統(tǒng)、倍增系統(tǒng)及陽極組成，并且通過高壓電源及一組串聯(lián)的電阻分壓器在陰極一一打拿極（又稱“倍增極”）一一陽極之間建立一個電位分布。光輻射照射到陰極時，由于光電效應(yīng)，陰極發(fā)射電子，把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成光電子；這些光電子受到各電極間電場的加速和聚焦，光電子在電子光學(xué)輸入系統(tǒng)的電場作用下到達第一倍增極，產(chǎn)生二次電子，由于二次發(fā)射系數(shù)大

3、于1，電子數(shù)得到倍增。以后，電子再經(jīng)倍增系統(tǒng)逐級倍增，陽極收集倍增后的電子流并輸出光電流信號，在負載電阻上以電壓信號的形式輸出。'8Dt11V20ovJO»VtiOOV抒JOOOV光皚倍増官的T作原理L-光陰極：I；鑒焦様：D.-U.p打拿根：A-I-TLZ-閃爍體1OAV200V50OV700V900VHOOV1200V亠輸出CCD是電荷耦合器件的簡稱，是一種金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型器件，在電路中常作為信號處理單元。對光敏感的CCD常用作圖象傳感和光學(xué)測量。由于CCD能同時探測一定波長范圍內(nèi)的所有譜線，因此在新型的光譜儀中得到廣泛的應(yīng)用。3. 閃耀光柵在光柵衍射實驗中，我

4、們了解了垂直入射時（=90°）光柵衍射的一般特性。當(dāng)入射角=90°時，衍射強度公式為光柵衍射強度仍然由單縫衍射因子和多縫衍射因子共同決定，只不過此時當(dāng)衍射光與入射光在光柵平面法線同側(cè)時，衍射角e取+號，異側(cè)時取一號。單縫衍射中央主極大的條件是u=0，即sinO=-sin0或=0。將此條件代入到多縫干涉因子中，恰好滿足v=0,即0級干涉大條件。這表明單縫衍射中央極大與多縫衍射0級大位置是重合的（圖9.1a）,光柵衍射強度大的峰是個波長均不發(fā)生散射的0級衍射峰，沒有實用價值。而含有豐富信息的高級衍射峰的強度卻非常低。為了提高信噪比，可以采用鋸齒型的反射光柵（又稱閃耀光柵）。閃耀

5、光柵的鋸齒相當(dāng)于平面光柵的“縫”。與平面光柵一樣，多縫干涉條件只取決于光柵常數(shù)，與鋸齒角度、形狀無關(guān)。所以當(dāng)光柵常數(shù)及入射角與平面光柵一樣時，兩者0級極大的角度也一樣。閃耀光柵的溝槽斜面相當(dāng)于單縫，衍射條件與齒面法線有關(guān)。，中央極大的衍射方向與入射線對稱于齒面法線N,于是造成衍射極大與0級干涉極大方向不一致。適當(dāng)調(diào)整光柵參數(shù)，可以使光柵衍射的某一波長強峰發(fā)生在1級或其它高級干涉極大的位置。圖是平面光柵和閃耀光柵衍射各級譜線強度示意圖。0兩種類型光枷各級譜線強蛙億a.ri光柵執(zhí)閃耀光棚閃耀光柵是許多光柵光譜儀中采用的色散器件。3 實驗步驟1. 粗調(diào)狹縫寬度。不打開光譜儀控制箱電源，取下入射狹縫前

6、的光源，調(diào)節(jié)入射狹縫的縫寬，直接觀察狹縫寬度的改變。先順時針調(diào)節(jié)，觀察狹縫寬度逐漸增大，然后減小狹縫寬度至狹縫剛好完全關(guān)閉。后，調(diào)節(jié)縫寬至約0.50mm。同樣，調(diào)節(jié)出射狹縫至0.5mm。注意，出射狹縫后掛接著光電倍增管，光電倍增管只能接收微弱光強，不可在室內(nèi)照明強度下使用，因此實驗過程中不可取下光電倍增管。2. 尋找狹縫的零點誤差。狹縫寬度由微分頭調(diào)節(jié)，存在零點誤差，我們可通過實際現(xiàn)象來判斷。打開光譜儀電源控制箱和計算機，啟動光譜儀軟件。將溴鎢燈安裝到入射狹縫處（燈的前端接口與狹縫是配套的，可直接掛上），打開溴鎢燈電源，調(diào)節(jié)電流至大。調(diào)節(jié)負高壓至300V，設(shè)在軟件“參數(shù)設(shè)置”中選擇工作模式為“

7、能量”，間隔1.00nm,工作范圍（即起始波長和終止波長）為200-660nm,采集次數(shù)為25,其它參數(shù)不變。點擊菜單“定點”按鈕，彈出的對話框中設(shè)置波長（500nm）和掃描時間（60s），設(shè)置后儀器將自動掃描至500nm處連續(xù)測量光強，60秒后停止。在掃描過程中，分別調(diào)節(jié)入射和出射狹縫，可即時看到出射光強的變化。保持出射狹縫0.50mm不變，減小入射狹縫，使光強剛好減小至零（或小到不變，光強一般至少小到10以下），此臨界位置即為入射狹縫的零點。同樣，調(diào)節(jié)入射狹縫至0.50mm并保持不變，逐漸減小出射狹縫，使光強剛好減小至零（或小到不變），此臨界位置即為出射狹縫的零點。記錄零點誤差。3. 用鈉

8、燈雙黃線校正光譜儀。點亮鈉燈，使其對準(zhǔn)入射狹縫，調(diào)節(jié)入射狹縫為0.40mm，出射狹縫為0.20mm，工作范圍580-600nm，間隔0.01nm，負高壓約300V，選擇寄存器1）。點擊“單程，開始掃描，掃描結(jié)束后，如果譜線的最大值小于200或者大于950，則適當(dāng)增大或減小負高壓（以后所有的譜線都要滿足這個條件，不再贅述），再次掃描。得到合適的譜線后，用軟件的自動或半自動尋峰功能找到兩條譜線，并與理論值比較，如果誤差超過lnm,則用軟件的修正功能予以修正。4. 量高壓汞燈光譜（入射狹縫為0.40mm,出射狹縫為0.20mm,200-630nm，間隔O.lnm，負高壓與鈉燈相當(dāng)，選擇寄存器2），尋

9、峰，記錄波長和相對光強。與理論值比較,作標(biāo)準(zhǔn)值測量值曲線圖，并得出光譜儀的波長修正公式；5. 測量氫（或者氫氘）原子光譜。氫燈燈管很細，注意盡量對準(zhǔn)狹縫，負高壓預(yù)設(shè)600V，如沒有譜線，應(yīng)左右移動氫燈使其對準(zhǔn)狹縫再測（分三段測量，650-660nm，480-500nm,380-440nm，間隔0.01nm，分別選擇寄存器3、4、5）,尋峰，記錄波長和相對光強，由上一步得到的修正公式計算實際的波長和里德伯常數(shù)，并與理論值比較；4 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)1. 出射狹縫的零點：0.185mm2. 入射狹縫的零點：-0.019mm3. 鈉光燈校正光譜儀的波長：6004Q02Q059060040020056859

10、0Sc599波長入(nm)589波長A(nm)1000600鈉2：58965nm校正后鈉h589OOnm-校正前鈉山598.33nm鈉囚59S.98nm4.高壓汞燈光譜：尋峰所得數(shù)據(jù)：FaaLCaii七pfHaik七1363.411L.92363.037.43403.Z透.14405.44E.75434.678?.36545.7437.87576.842.78579J49.65.氫原子光譜：380nm-440nm：500400420440波長入(nm)1000380氧3：432.75nm氫2：408.7Snm氫1：395.53nm480nm-500nm：400波長A(nm)650nm-660n

11、m：35060003506溴鎢燈濾色片透過率曲線:400UJ350贓g30025020015010050400600650700450500550波長A(nm)5數(shù)據(jù)處理1用汞光燈譜數(shù)據(jù)，作入理一入散散點圖，擬合并得到曲線公式600550500450400Equationy=a+b*xIntercept4.35862?0Slope0.99263?2.ResidualSum0.03819Pearson'sr1R-Square(CO1Adj.R-Square1350400450500550測量波長入(価)2作濾色片的透過率曲線波長A(nm)6實驗總結(jié)本次實驗作為這學(xué)期的第一次實驗，難度算一般，唯一的缺點在于本次實驗比較費時間，而且反復(fù)性較強，一次成功比較難，故需要有一定耐心。這次實驗學(xué)習(xí)使用了光柵光譜儀并且對光譜有了一定的了解，并且了解了光柵光譜儀的原理，在數(shù)據(jù)處理上originlab