單色儀的定標和光譜測量

實驗?zāi)繂紊珒x的構(gòu)思萌芽可以追述到1666年，牛頓在研究三棱鏡時發(fā)現(xiàn)將光通過三棱鏡時被分解成七色光的彩色光光譜，牛頓首先將此分解現(xiàn)象稱為色散。1814年夫瑯和費設(shè)計了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并研究發(fā)現(xiàn)了光譜中的吸收譜線（夫瑯和費譜線。棱鏡的色散于棱鏡波長越短的光，在介質(zhì)中速度越慢。1860年克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俟庾V設(shè)計完成較完善刻線，就制成了一塊透射式或者反射式的衍射光柵，如圖1所示反射式衍射光柵：圖中b為刻劃寬之間，一塊中等尺寸的光柵總的刻劃線在104―105左右。工作原理：，光柵方程設(shè)有一束光以入射角0射向一塊衍射光柵，則只有滿足下式的一些特殊角度m下，才有光束d(sin0sinm) 上式即為著名的光柵方程，式中，0為入射角，m為衍射角，d為光柵常m0,1,2,…，稱為衍射級次。式中正負號的使用規(guī)定是：當(dāng)0和m在光柵法線同側(cè)時，取正號，反之，則出，各級光譜之間有一定的。例如波長600nm的一級衍射光，波長為300nm的二級衍射光波長為的一級衍射光，將和波長m為的m級衍射光出現(xiàn)在同一衍射方向上。實際上，由于被但是實際測量中，確實要注意由于鄰近譜級所造成的干擾。多縫衍射的理論，在強度為I0的入射光照射下，光柵衍射光的強度分布為：sin2sin2(NII0AB Nsin 式中，bsin0sinm dsin0sinm 式（1-2）中的A為單縫衍射對光強的分布影響，稱為單縫衍射因子；B為多縫 分布的影響，稱為多縫因子。如圖3（b）所示，多縫因子決定各級衍射方向。光柵衍射從圖3中還可以看出，在一些單縫衍射因子為零的位置上，多線寬度為d，刻線寬度為b的光柵，所缺ndb，n=1,2,3，…。在3db3，故缺3,6,9等級次。以上的分析是針2、光柵的色散和分辨本領(lǐng)dm

d

由此式可以看出：（a）光柵的角色散與衍射級次成正比，故使用較高的衍射級次可以得到較大的角色散；（b）角色散和光d成反比，即刻劃線密度大的光柵角色散大；（c）角色散與cosm成附近cosm1，則式（1-5）可變?yōu)椋篸m 10nm1mm。很容易想象，精細的光譜信息更容易通過第一臺光d106cos

nm/mm(1-dx式中LB為等效出射焦距長度，單位mm，而dx是單位間隔，單位mm。單色儀中，LB為聚焦鏡到出口cos成正比，而與出射焦長LB、衍射級數(shù)k以及刻線密度n這些參數(shù)成反比。 Ndm

波長為和的兩譜線經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的角距離'（1-5計算得為：' N

Wsinsin 柵方程可見，d不能小于2；dN的同時也增大光柵寬度W，才是提高光柵分辨率的有效方法。3、閃耀光柵列鋸齒狀的槽面（其槽面為直角三角形）形成的光柵（注1：由于光柵的機械加工要求很高，所光和衍射光處于自準直狀態(tài)（如入射角=衍射角），即入射光線和出射光線沿同一路徑。如圖5所示。通過調(diào)整傾角和選擇適當(dāng)?shù)娜肷錀l件，它可以將單縫衍射因子的主極大調(diào)整到多縫因子的較高級位置上去，即我們所需要的級次上去。因為多縫因子的高級項（零級無色散）是項時，對于入射角為，而衍射角為時，光柵方程式為：dsinsin 因此當(dāng)光柵位于某一個角度時（、一定，波長d成正比。本次實驗所用光柵（每毫米垂直時，閃耀570nm。由此可以求出此光柵的閃耀21.58。當(dāng)光柵在步進電機的帶動下圖6即為將衍射極大從零級（圖6（a）調(diào)整到一級（圖6（b）的情況。從這種意義上看，吸收曲線測量原理：下的光從介質(zhì)板透射出來。設(shè)有一束波長為，入射光強為I0的單色平行光垂直入射到一塊厚度為d的介質(zhì)平板上，如圖1所示。如果從界面1射回的反射光的光強為IR，從界面1向介質(zhì)內(nèi)透射的光的光強I1，入射到界面2的光的光強為I2，從界面2出射的透射光的光強為IT，則定義介質(zhì)板的光譜外透射率T和介質(zhì)的光譜透射率Ii分別為T

（1-Ti

（1-這里的IR，I1，I2和IT都應(yīng)該是光在界面1和界面2上以及介質(zhì)中多次反射和透射的總效果1射率Ti與波長的關(guān)系曲線稱為透射曲線。在介質(zhì)內(nèi)部（假定介質(zhì)內(nèi)部無散射光譜透射Ti與介質(zhì)厚度d有如下關(guān)系：iT (1-iITIT1IT2IT3IT4I0(1R)2edI0(1R)2R2e3dI0(1R)2R4e5dI0(1R)2R6e7dI0(1R)2ed(1R2e2dR4e4dR6e6d (1-16I(1R)2

21RTIT(1R)2

（1-0 1R2e20相同分別為和，>，光譜外透射率分別為和。由（1-17）式可 ed2(1R2e2d12

（1-1 ed1(1R2e2d21一般R和都很小，故上式T2e(d2d1

(1-所以lnT1lnd2

（1-i比較（1-19）式和（1-15）式可知厚度為時的光譜透射率為：Ti

(1-Ti

（1-ln d2

(1-式中，I2和I1分別表示試樣厚度分別為d1和d2時單色儀測量的強度實驗儀7從圖7可知，光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的光束均勻地照亮在入射狹縫S1上，S1位于離軸拋物鏡的焦平面上，光通過M1變成平行光照射到光柵上，再經(jīng)過光柵衍射返回到M1，經(jīng)過M2會聚到出射狹縫S2，由于光柵的分光作用，從S2出射的光為單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動時，從S2出射的光由短波到長波依次出現(xiàn)。如果S2出射狹縫位置連接信號接收設(shè)備（光電倍增管/CCD則可對出射光譜進行分析（部分內(nèi)容請參考《大學(xué)物理實驗》第二冊中的“單色儀的使用和調(diào)整”本實驗使用的儀器：WDS-8型組合式多功能光柵光譜儀，焦距f=500mm.光柵條數(shù)：1200gr/mm。狹縫寬度在0-2mm可調(diào)0.01mm。光電倍增管的測量范圍：200-800nm；CCD的測量范圍：300-900nm。實驗內(nèi)容與步驟(1):光柵單色儀的定標定標用光源：氦氖激光器（632.8低壓鈉燈（589.0nm589.6要求設(shè)計和調(diào)整光路把光導(dǎo)入入射狹縫，測量時須找出合適的負高壓值，并利用程序設(shè)定合理的測量范圍獲取雙光譜線（鈉燈）完全分離開的光譜曲線。并記錄負高壓值和保存光譜曲線。（又稱漫線系589.0nm589.6nm，616.0nm615.4nm568.3nm568.86nm，497.8nm98.2nmR。要求設(shè)計和調(diào)整光路采用透鏡聚焦法把光導(dǎo)入入射狹縫，測量時須找出合適的負高壓值，并利用程序設(shè)定合理的測量范圍獲取高壓燈的各個分立峰的的光譜曲線。并記錄負高壓值和保存光譜曲線。利用測量的譜線計算光柵單色儀的分辨率。：紅寶石晶體的發(fā)射和吸收光譜的測量532nmr r 694.3nm，2E2E4A R2，R1694.3nm，R2692.8nm，由于高能級粒子數(shù)少于低能級，所以激光輸出總是R1線。1特性Cr3+所吸收中心波長為410.0nm的蘭紫光而躍遷到強吸收帶4F態(tài)，也能吸收波長為550.0nm的黃綠光而躍遷到另一強吸收帶4F2態(tài),這兩個吸收帶的帶寬都在100.0nm左右,與氙燈或弧燈的1要求自己設(shè)計和調(diào)整光路，并選取合理的負高壓值，測量出紅寶石的發(fā)射光譜和吸收光譜。實驗報告中要求分析紅寶石晶體的發(fā)光原理以及應(yīng)用。：濾光片的吸收曲線測量光源：溴鎢燈（360-2500要求設(shè)計和調(diào)整光路，并在光路中插入濾