單色儀的定標(biāo)和光譜測量

光柵單色儀的定標(biāo)和光譜測量試驗試驗?zāi)康模海毫私夤鈻艈紊珒x的構(gòu)造以及工作原理并嫻熟把握其使用方法；定標(biāo)；的了解。和方法。試驗簡介單色儀〔monochromator〕是指從一束電磁輻射中分別出波長范圍極窄單色1666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)并爭論覺察了太陽光譜中的吸取譜線〔夫瑯和費譜線。棱鏡的色散縮短而增加〔正常色散1860?；舴蚝捅旧鸀闋幷摻饘俟庾V設(shè)計完成較完善的現(xiàn)代光譜儀—這標(biāo)志著現(xiàn)代光譜學(xué)的誕生。由于棱鏡光譜是非線性的，人們開頭爭論光柵光譜儀。光柵光譜儀米的整個光學(xué)波段，比色散棱鏡的工作波長范圍寬。此外在肯定范圍內(nèi)，光柵產(chǎn)生的是均排光譜，比棱鏡光譜的線性要好的多。它也可以從復(fù)合光的光源〔即不同波長的混合光的光源試驗原理柵光譜儀的性能的主要因素。1、衍射光柵：現(xiàn)代衍射光柵的種類格外多，依據(jù)工作方式分為反射光柵和透1b為刻劃寬度，d為兩相鄰刻劃線間的距離，稱為光柵常數(shù)。一般的光柵的刻劃密度104―105左右。11、反射式衍射光柵工作原理：〔不遵循光學(xué)反射定律。但是不同刻劃線發(fā)出的光有肯定的相位差，由于干預(yù)效〔衍射〕和不同刻劃線衍射光之間的干預(yù)〔多縫干預(yù)，并且多縫干預(yù)打算各種波長的出射方向，單縫衍射則打算它們的強度分布。光柵方程設(shè)有一束光以入射角0 下，才有光束衍射出來m

d(sin0

sinm

)m 〔1-1〕0

m

為衍射角，d為光柵常數(shù)，m0,1,2,?，稱為衍射級次。式中正負號的使用規(guī)定是：當(dāng) 和 在光柵法0 m線同側(cè)時，取正號，反之，則取負號。依據(jù)光柵方程，可以分析出在單色光、復(fù)色光入射的狀況下，光柵衍射光的特點〔a〕單色光入射時，光柵將在m=0的零級衍射光才是符合反射定復(fù)色光入射時，同樣產(chǎn)生〔2m+1〕個級次的衍角大。就是說，復(fù)色光經(jīng)光柵衍射后產(chǎn)生的是〔2m+1〕個級次的光譜。當(dāng)m=0時，不管什么波長都將在的方向衍射出來，即零級光譜是沒有色散的。2600nm的以及300nm200nm的三級衍射光?，都消滅的一級衍射光，將和波長m為的m級衍射光消滅在同一衍射方向上。實際上，由于被測光源估量那樣嚴(yán)峻。但是實際測量中，確實要留意由于鄰近譜級重疊所造成的干擾。2：衍射光柵的光譜強度分布I0II0

ABI sin20 2

sin2(N)N2sin2

〔1-2〕式中，bsin0

sinm

〔1-3〕d si

si0

n 〔1-4〕m〔1-2〕AB為多縫干預(yù)對光強分布的影響，稱為多縫干預(yù)因子。如圖3〔b〕所示，多縫干預(yù)因子打算各級衍射方向。光柵衍射光的實際強度和方向則如圖3〔c〕所示，相當(dāng)于多縫干預(yù)因子受單縫衍射因子調(diào)制的結(jié)果。即〔1-2〕所表示的狀況。圖圖3：衍射光柵衍射光的光強分布中還可以看出，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，所缺級數(shù)為nd b，n=1,2,3，?。在圖3中，db3，3,6,9等級次。以上的分析是針對單色光入射的狀況。對于復(fù)色光入射，4給出了入射光中包含和m=0,1,2,3共四個光譜級的狀況。4：衍射光柵的各級光譜的光強分布2、光柵的色散和區(qū)分本領(lǐng)光柵的角色散：從光柵方程可以得到光柵的角色散為：d mmd dcosm

〔1-5〕由此式可以看出bd柵角色散大角色散與cosm

〔即在光柵法線四周cosm可變?yōu)椋?/p>

1〔1-5〕dmm

〔1-6〕d d即光柵的角色散與波長無關(guān)。鍺就是光柵產(chǎn)生均排光譜的緣由和條件。光柵的區(qū)分率：光柵衍射譜線的角寬度由多縫干預(yù)因子打算，為： m Ndcos

〔1-7〕m波長為和”m

由式〔1-5〕計算得”m

mdcosm

〔1-8〕依據(jù)瑞利判據(jù)，要把上述兩條譜線分開，最少需使式〔1-6〕和〔1-7〕相等，由此得到光柵的區(qū)分率為：N m

〔1-9〕上式〔1-9〕說明，光柵的總刻劃線數(shù)Nm越高，則區(qū)分率越〔1-8〕改為： W

si 0

s

n 〔1-10〕m式中WN d為光柵的幾何寬度。式〔1-10〕中括號內(nèi)項的最大值為2，因此不管N多大光柵的區(qū)分率最高只能到達2W 這說明單靠增加N來提高光柵d

2NW，才是提高光柵區(qū)分率的有效方法。3、閃耀光柵在其上面刻畫出一系列鋸齒狀的槽面形成的光柵〔注1：由于光柵的機械加工要求很高，所以一般使用的光柵是由該光柵復(fù)制的光柵。其槽面和光柵平面之間的有一傾角稱為閃耀角。如圖5所示。通過調(diào)整傾角和選擇適當(dāng)?shù)娜肷錀l件，〔零級無色散是有色散的，的衍射效率，從而提高了測量的信噪比。5：閃耀光柵〔2〕時，光柵的閃耀角為b，取一級衍射項時，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〔肯定，波長d刻劃尺寸為664m2570nm21.58〔留意計算時角度的符號規(guī)定和幾何光學(xué)方向為閃耀波長的方向〕6即為將衍射極大從零級〔6〔〕調(diào)整到一級〔6〔b〕入射條件均有關(guān)。7：閃耀光柵的光譜吸取曲線測量原理：當(dāng)一束光入射到有肯定厚度的介質(zhì)平板上時，有一局部光被反射，另一局部光被介質(zhì)吸取，剩下的光從介質(zhì)板透射出來。設(shè)有一束波長為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。假設(shè)從界面射回的反射光的光強為I1向介質(zhì)內(nèi)透射的光的光強I，入射到界面R 1的光的光強為I2出射的透射光的光強為I，則定義介質(zhì)板的光譜外2TIi

T分別為IT TI0

〔1-12〕IT 2i I1

〔1-13〕IIII12R 1 2 T和透射的總效果。1一束光入射到平板上通常，介質(zhì)對光的反射，折射和吸取不但與介質(zhì)有關(guān)，而且與入射光的波但都應(yīng)將它們理解為光譜量。光譜透射率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Tid有如下關(guān)系：(1-14)i式中，稱為介質(zhì)的線性吸取系數(shù)，一般也稱為吸取系數(shù)。吸取系數(shù)不僅與介質(zhì)有關(guān)，而且與入射光的波長有關(guān)。吸取系數(shù)與波長的關(guān)系曲線稱為吸取曲線。設(shè)光在單一界面上的反射率為R，則透射光的光強為I I I I I T T1 T2 T3 T4I(1R)2ed0

I(1R)2R2e3d0

I(1R)2R4e5dI(1R)2R6e7d0 0I(1R)2ed(1R2e2d0

4d

d

)I(1R)2ed01R2e2d(1-15)式中，I,I2T1 T2I所以T TI0

(1R)2ed1R2e2d

〔1-16〕通常，介質(zhì)的光譜透射率Ti和吸取系數(shù)是通過測量同一材料加工成的〔對于同一波長一樣R〕算得到的。設(shè)兩塊試樣的厚度分別為和別為和。由〔1-16〕式可得

，光譜外透射率分T ed2(1R2e2d1)2

〔1-17〕T ed1(1R2e2d2)1一般R和都很小，故上式可近似為T2e(d2

d)1

(1-18)T1所以

lnTlnT 1 2

〔1-19〕d d2 1〔1-18〕〔1-14〕2為： TT2

(1-20)i T1在適宜的條件下，單色儀測量輸出的數(shù)值與照耀到它上的光的強度成正比。所以讀出測量的強度就可由下式計算光譜透射率和吸取系數(shù)：IT 2i I1

〔1-21〕Iln 1I

(1-22)d d2 1式中，I2

Id1

和d時單色儀測量的強度值。2試驗儀器：柵及反射鏡，準(zhǔn)光鏡和物鏡，入射出射狹縫旋鈕，信號接收設(shè)備(光電倍增管/CCD)7以作為更為簡單的光譜儀器的后端分析設(shè)備，比方激光喇曼/熒光光譜儀。光柵由計算機軟件掌握步進電機驅(qū)動，可以獲得較高的精度。7S1，S1位于離軸拋物鏡的焦平面上，光通過M1變成平行光照耀到光柵上，再經(jīng)過光柵衍射返回到M1，經(jīng)過M2S2，由于光柵的分光作用，從S2的光為單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動時，從S2S2〔/CCD采集分析〔局部內(nèi)容請參考《大學(xué)物理試驗》其次冊中的“單色儀的使用和調(diào)f=500mm.光柵條數(shù)：1200L/mm。狹縫寬度在0-2mm0.01mm。光電倍增管的測量范圍：200-800nm；CCD量范圍：300-900nm。試驗內(nèi)容與步驟(1):光柵單色儀的定標(biāo)單色儀的定標(biāo)指的是借助于波長的線光譜光源來對單色儀測量的波進步性。定標(biāo)用光源：氦氖激光器〔632.8nm〕低壓鈉燈〔589.0nm589.6nm〕要求設(shè)計和調(diào)整光路把光導(dǎo)入入射狹縫，測量時須找出適宜的負高壓值，并利用采集程序設(shè)定合理的測量范圍獵取雙光譜線〔鈉燈〕完全分別開的光譜測量低壓鈉燈的光譜，鈉原子光譜一般可觀看到四個線系：主線系、第一輔線系〔又稱漫線系、其次輔線系〔又稱銳線系〕和柏格曼線系〔又稱基線系。由同一譜線的波數(shù)差即可得到鈉的里德伯nm589.6nm，銳線系的nm568.3nm568.86nm，497.78nm498.2nm。在試驗報告處理時可由原子物理的學(xué)問可以計算求出鈉的里德伯R。：高壓汞燈光譜測量光源：高壓汞燈適的負高壓值，并利用采集程序設(shè)定合理的測量范圍獵取高壓汞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。：紅寶石晶體的放射和吸取光譜的測量光源：氦氖激光器〔632.8nm，半導(dǎo)體激光器〔650nm燈〔360-2500nm，532nmCrAl0Cr354SAl023 23晶格后，失去外層三個電子，變成三價的C3+離子，紅寶石晶體的光譜就是C3+r r離子在3d殼上三個電子發(fā)生能級躍遷的反映，人們依據(jù)紅寶石晶體的吸取光譜2Cr3+2-14A22E〔14400c-13m4F〔25000cm-1〕14F〔17000cm-1〕2E4A2694.3nm2E2E4A2

2能級之間躍遷對應(yīng)兩條強熒光線R1

R，R2

694.3nm，R2

692.8nm，由于高能級粒子數(shù)少于低能級，所以激光輸出總是R線。14F1

態(tài)，也能吸取波長為550.0nm的黃綠光而躍遷到另一強吸取帶4F2

態(tài),這100.0nm要求自己設(shè)計和調(diào)整光路，并選取合理的負高壓值，測量出紅寶石的放射光譜和吸取光譜。試驗報告中要求分析紅寶石晶體的發(fā)光原理以及應(yīng)用。：濾光片的吸取曲線測量光源：溴鎢燈〔360-2500nm〕要求設(shè)計和調(diào)整光路，并在光路中插入濾光片，選取適宜的負高壓值，測量其吸取曲線。試驗報告中要求分析濾光片的性能和吸光特性。6G光源：溴鎢燈〔360-2500nm〕532nm6G〔5x10-3M色皿作為樣品池。要求設(shè)計和調(diào)整光路，并在光路中插入樣品池，選取適