实验二 光栅特性及光波波长测量.doc

1、实验二 光栅特性及光波波长测量（设计性实验）实验目的1、加深对光栅分光原理的理解，了解光栅的基本特性；2、用透射光栅测定光栅常数、光波波长；3、观察光栅光谱。实验仪器分光计，平面透射光栅，低压汞灯.实验原理光栅是近代分光仪器（如光谱仪）的主要色散元件，有透射光栅和反射光栅两类。本实验研究透射光栅，它是由许多等间距的狭缝组成的，每条狭缝的宽度为 a，相邻狭缝间隔为 b，a + b 称为光栅常数，记作 d，见图 9-1 所示。图 9-1 光栅结构示意图根据夫琅和费衍射原理，当波长为 的单色平行光垂直投射到光栅平面上时，凡满足关系式:（k = 0, +1, ） （9-1 ）dsin的衍射光经透镜会聚

2、后，在其焦面上出现亮条纹，称为谱线。 （9-1）式称为光栅方程，式中 k 为谱线级次， 为 k 级谱线的衍射角， 。当 k = 0 时, 在衍射角 = 0 方向看到中央亮纹，称零级谱线。其他各级谱线 （k = +1, +2, ）对称地分布在两侧，谱线强度逐渐减弱。当入射光是不同波长的复合光时，中央零级是各种波长的零级谱线重叠而成的复合光的零级谱线，其余各级条纹都是散开的色线，称为光谱线。图 9-2 给出了汞灯的光栅光谱。如已知入射光波长 ，当测出该谱线的衍射角 和谱线级次 k 后，可由（9-1）式求得光栅常数 d ；若给定光栅常数 d，测定衍射角 ，可求得该谱线的波长 ，这就是光谱分析的基本思

3、想。图 9-3 示出了入射光经光栅衍射后形成光谱的光路，图中 G 为光栅，S 为细长狭缝，L 1 为准直透镜，L 2 将衍射光会聚于焦面上构成光谱线。图 9-2 汞灯的光栅光谱 da b图 9-3 光栅衍射光路图由光栅方程（9-1）对 微分，可求得光栅的 角色散（D ）（9-2）condkD=角色散（D）是光栅、棱镜等分光元件的重要参数，它表示单位波长间隔内两单色谱线之间的角间距。由（9-2）式可知，光栅常数 d 越小，角色散越大；此外，光谱的级数越高，角色散也越大。在衍射角 不大时有：cos =1， （9-2 ）式变为:（9-3）dkD光谱的角色散几乎与波长无关，即光栅光谱的谱线按波长均匀展

4、开。分辨本领（R）是光栅的又一重要参数，它表征光栅分辨光谱细节的能力。R 定义为两条刚被分开的谱线的波长差 除该波长 ，即:（9-4）d=R根据瑞利判据，当一条谱线的极强与另一条谱线的极弱恰好重合时，则认为两条谱线刚能被分开，如图 9-4 所示。因此可导出光栅的分辨本领为 :R = k N （9-5）式中 k 为光谱级数，N 是光栅刻线的总数，由（9-5 ）式可知，N 越大分辨本领越高；光谱级数 k 越大，分辨本领也越高。通常 k 不会很大，因此提高分辨本领主要靠增大 N 达到，一是增大光栅面积，二是提高光栅的线密度（n） 。图 9-4 瑞利判椐两条谱线刚能被分开的情况 光栅线密度定义为：（

5、） （9-6 ）dn1=ksi它表示单位长度内光栅刻线的数量，常用单位为：条线/mm实验内容一、调节实验光路1、调节分光计用低压汞灯照明平行光管狭缝，按实验五的要求将分光计调节到正常工作状态。2、调节光栅的位置为了精确测量光谱的衍射角，测量前必须先调节好光栅的位置，使得被测平面（即光栅的衍射面）平行于读数平面。具体要求：（1）光栅平面与分光计转轴平行；（2）光栅刻线与分光计转轴平行；（3）光栅平面与平行光管光轴垂直。请自行设计调节步骤，完成上述要求。请思考1） 为什么上述（ 1） （ 2）两点要求满足后，光栅的衍射面就平行于读数平面了？2） 上述第（ 3）点要求是出于什么考虑？提示 1、 借助

6、已调好的望远镜可方便地将光栅平面调到竖直状态，只需调节光栅俯仰，看从光栅表面反射的亮十字线是否处于分划板上水平线中央。2、 由光栅衍射特性可知，其衍射平面垂直于光栅刻线，因而光谱线展开的方向与刻线方向垂直。当光栅刻线平行于仪器公共轴时，从望远镜中可观察到谱线相对于分划板水平线是等高的。所以，只需用望远镜观察谱线是否等高，即可判断光栅刻线是否与公共轴平行。图 9-6 示出了谱线不等高时的情形。3、 借助已调好的望远镜同样可方便地将光栅平面调到与平行光管光轴垂直，只需仔细调节光栅的左右方位，使从目镜中看到衍射零级光谱与绿十字线同处于分划板中央竖线上。小技巧 1、 为调节方便，光栅在平台上可依图 9

7、-5 所示的位置放置，螺钉 b2、 b3 用于调节光栅的俯仰，而螺钉 b1 仅用于调节光栅刻线的方向。2、 为了更精确地判断光栅谱线是否等高，可把狭缝转成水平状态，让谱线 “卧倒 ”，使调节更方便。 （请想一想为什么？）注意 以上三点调节完成后， 光栅位置万万不可再动 ，否则将前功尽弃。图 9-5 光栅放置在平台上的位置 图 9-6 光栅刻线倾斜造成光谱线不等高时的情形 二、观察和测量1、用分光计观察光栅光谱：记录观察到的现象，并记录一共能看到几级光谱；2、测定光栅常数 d（或线密度 n）:假设：低压汞灯绿色光谱线的波长是已知的，为 g = 546.1nm，请根据前面所述原理设计一个测定光栅线

8、密度 n 的实验方案，并计算光栅常数 d。 （测量前请将设计方案交老师检查）提示为提高 g 的测量精度，可测出 +1 级绿色谱线和 -1 级绿色谱线间的夹角 的值 ，取 其平均值作为 g 代入（ 9-6）式计算。请分析该测量方法的合理性。3、计算光栅的分辨本领:利用（9-5）式所示关系，已知 N 值，即可得到光栅的分辨本领 R。在本实验中光栅总条数 N 应取光栅实际使用部分的总条数： N = n l （9-7 ）其中 l 为平行光照射光栅的宽度，即平行光管物镜的通光孔径l = 22mm4、测定未知光波波长及色散率:测量低压汞灯光谱中紫色谱线及两条黄色谱线的波长，并求光栅的色散率。请自行设计测量

9、步骤，导出计算公式。提示 为减少操作步骤，此测量程序可与测光栅线密度一同进行，因为实际测量的量都是衍射角。思考题1、试比较光栅分光和三棱镜分光的光谱有何区别？2、光栅方程 的前提条件是什么？在本实验中如何检查是否满足此条件？kd=sin3、在实验中，若入射光不严格垂直于光栅平面，会对实验结果产生什么影响？如何用实验方法加以修正？试证明之。4、对于本实验给定的光栅，请估算一下最多能看到几级光谱（包括正、负级次在内）？5、平行光管的狭缝增宽时，对实验结果有何影响？附录1、最简单的衍射光栅是在平板玻璃上用刻划机刻上许多等宽等间距的刻线，投射到光栅刻线部分的光被散射掉，不能透过，只有射到未刻部分的光才

10、透过光栅，投向观察方向。玻璃板上未刻线部分相当于平行狭缝，刻线部分相当于不透明间隙，这就是透射光栅。通常要在一毫米内刻上 600 条以上的刻线，即在宽为 20 毫米的光栅上，共刻有 12000 条以上的平行狭缝。本实验所用的光栅是全息光栅，它是用全息照相的方法制作的，由于条纹均匀、间距小、制作成本低，近年来已普遍用于实验教学中。2、光栅的应用十分广泛，例如它在单色仪、摄谱仪等传统光学仪器中作为分光元件；在激光器中作为选频元件；在光通信系统中作为耦合元件；在光计算中用作光互连元件；在光信息处理系统中又可作为调制器、编码器、空间滤波器等等；甚至在摄影、摄像仪器中还可用作彩虹滤色镜，使被摄画面产生奇

11、妙的艺术效果。实验三 偏振现象的研究(一)（设计性实验）目的要求1、观察光的偏振现象，熟悉偏振的基本规律；2、了解产生和检验偏振光的原理和基本方法；仪器用具分光计，偏振片(起偏器、检偏器各一片 )，14 波片，玻璃平晶，钠灯。实验原理光的干涉、衍射现象无可辩驳地说明了光的波动性质，而光的偏振则清楚地显示了光的横波性，即电矢量与磁矢量的振动方向都与波的传播方向垂直。通常用电矢量代表光的振动方向。如果电矢量只在单一的方向上振动，我们称这种光为线偏振光。另外，按偏振状态的不同，还分椭园偏振光、园偏振光、部分偏振光等，详细论述请参看有关教科书。一、线偏振光的产生：1、反射产生线偏振光布儒斯特定律：当自

12、然光从空气中入射到折射率为 n 的非金属(如玻璃、水等) 界面上时，只要入射角 与 n 符合关系式：（10-1）tg则得到的反射光必然是线偏振光，这就是布儒斯特定律， 角称为该种材料的布儒斯特角，也称为全偏振角。玻璃的全偏振角约为 570。任意角度入射时，反射光为部分偏振光。2、折射产生线偏振光：当自然光以布儒斯特角入射到叠在一起的多层玻璃面上时，每反射一次，垂直于入射面的振动均有所递减，折射光中平行于入射面的振动渐占优势，随着玻璃层数的增加，经多次反射后，垂直于入射面的振动越来越弱，折射光渐变成振动方向平行于入射面的线偏振光。3、人造偏振片产生线偏振光：偏振片是用人工方法制成的二向色性多晶体

13、薄膜，当光线射在这种晶体的表面上时，电矢量与晶体光轴平行的光(e 光) 被吸收得较少，透过的光较强；电矢量与光轴垂直的光(o光)被吸收，透过很弱，晶体的光轴方向我们称其为偏振轴 。图 10-1 画出了透射光的振动方向与偏振片的偏振轴之间的关系。偏振轴自然光起偏器检偏器图 10-1 偏振轴与透射光振动方向的关系示意图4、晶体双折射产生偏振光：由晶体双折射产生的寻常光(o 光) 和非寻常光(e 光)都是线偏振光，例如尼科耳棱镜就是常用的偏振元件之一，由它所得到的线偏振光的偏振度是很高的。二、波长片及椭园偏振光的产生单色线偏振光垂直入射到表面平行于光轴的晶片上时，o 光和 e 光的传播方向都是一致的

14、，因此将不发生光束的分离。然而由于两者的传播速度不同，在透过晶片时就产生了位相差，记为 （10-2）lneo)(2-=其中 l 为晶片厚度，n o、n e 分别为 o 光和 e 光在晶体中的折射率， 为入射光的波长。在石英（正晶体）中，o 光速度大于 e 光，故 o 光位相超前，此时位相差 0。当入射光及晶片材料确定后（即 及 no、n e 给定） ， 的大小仅依赖于晶片的厚度 l。离开晶片时，o 光和e 光不分开，光的合振动的偏振性质取决于 的值，可分以下四种情况讨论：(1） ,（ ） ，合振动仍为线偏振光，且振动方向与入射光方k2=,21,0K向相同，这种晶片被称为全偏振片。(2 ) ,（

15、 ） ，合振动仍为线偏振光，但振动方向与入)(+=,射光不同。若入射光振动方向与晶轴的夹角为 ，则出射光振动方向与光轴将成 - 角，也就是说，线偏振光经这种晶片后振动方向旋转了 2 角。具有该种功能的晶片被称为半波片，也叫 12 波片。（3） （ ）,合振动应为正椭圆偏振光，但当入射光振=k,10K动方向与晶轴的夹角 或 900 时，退化为线偏振光；当 时为园偏振光，如图 04510-2 所示。具有该种功能的晶片被称为 14 波片。 （4） 不等于以上各值时，透射光为斜椭园偏振光。 （请参看有关教科书。 ）应该强调的是：不论是全波片，半波片还是 1/4 波片，都是针对一定波长而言的。 = 00

16、 = 300 = 450 = 600 = 900图 10-2 时合振动的偏振状态示意图2+k图中虚线为波片的晶轴方向，实线箭头为入射的线偏振光。仪器介绍一、偏振片本实验提供两片偏振片，其中一片用作起偏器，另一片用作检偏器，它们均被安装在可旋转的金属框架内，端面刻度值间隔为 50；二、玻璃平晶玻璃平晶是用光学玻璃制成的两面平行度较高的玻璃平板，实验中用于产生反射光，以验证布儒斯特定律，还用于确定偏振片的偏振轴。三、1 / 4 波片1 / 4 波片用云母片制成，安装在可旋转的框架内，端面刻度间隔为 50，本实验用于产生和检验椭园偏振光(或园偏振光 )。实验内容一、验证布儒斯特定律，并确定偏振片的偏

17、振轴1、按实验五的步骤调节分光计，使处于正常工作状态；2、如图 10-3 所示布置光路，其中的检偏器是一片套在望远镜物镜筒上的偏振片，旋转该检偏器可检验平晶反射光的偏振状态；3、设计一种可行的实验方案，用以验证布儒斯特定律。平行光管平台望远镜 检偏器图 10-3 验证布儒斯特定律的光路示意图提示 1） 当入射角等于布儒斯特角时，从望远镜中看到的反射光应是线偏振光，因此若用检偏器检验，会出现消光现象；2） 在寻找布儒斯特角时，一方面要旋转载物台，一方面又要用望远镜捕捉反射光，同时还应旋转检偏器随时检测它的偏振状态，三者缺一不可；3） 在测量布儒斯特角的过程中，应保持载物台固定，即保证光对平晶的入

18、射角不变；4） 布儒斯特定律是否得以验证，最终应以相对误差来表征。那么，应该计算哪个物理量的相对误差呢？4、请记录消光时检偏器的角度读数 0，并根据反射产生线偏振光的原理，确定此时检偏器偏振轴的具体方向，画出示意图加以说明。二、线偏振光的产生与检验1、请设计一个实验方案，说明怎样利用人造偏振片产生和检验线偏振光，记录所观察到的现象，并加以分析；提示1） 保留套在望远镜筒上的检偏器不取下，并将另一片偏振片套在平行光管镜筒上，作为起偏器，见图 10-4；2） 将望远镜对准平行光管，进行观察；3） 可将检偏器旋转到 0 位置，然后将起偏器旋转一周（ 3600） ，观察光强的变化规律，以此来说明问题。

19、平晶起偏器 检偏器钠灯 平行光管 望远镜 图 10-4 线偏振光的产生与检验光路图2、确定起偏器的偏振轴方向：由检偏器的偏振轴方向定出起偏器的偏振轴方向，请具体作出说明。记录消光时起偏器的角度读数 0 。三、椭园偏振光、园偏振光的产生与检验用 1/4 波片产生椭圆偏振光，利用前面已经确定的起偏器和检偏器的偏振轴方向，设计一个可行的实验方案，使得图 10-2 中示出的 5 种情况得以验证。提示 1） 波片的晶轴方向如何确定？可将 1/4 波片插入相互正交的起偏器和检偏器之间（如图 10-5） ，旋转波片 3600，改变其晶轴的方位，从望远镜目镜中观察透射光强度的变化，根据消光的情况，确定其晶轴的

20、两个可能的方向，从框架上记录它们的角度读数；2） 从上述两个可能的晶轴方向中选择其中之一，固定 1/4 波片；3） 怎样改变线偏振光的振动方向？通过改变起偏器的角度可以实现。若用 表示起偏器角度的改变量，分别取 = 00、 150、 300、 450、 600、 750、 900 即可得到图 10-2 中所示的不同振动方向的线偏振光；4） 怎样检测透过 1/4 波片的光束的偏振状态？利用检偏器即可观察光强变化情况，请逐项记录，分析并判断透射光的偏振状态。偏振轴晶轴偏振轴起偏器1/4 波片 检偏器 图 10-5 椭圆偏振光的产生和检测示意图参考记录表：起偏器角度改变量 用检偏器检测，观察到的现象

21、 透射光的偏振状态150300450600平台750900注意事项1、本实验与偏振光理论结合较为密切，尤其是对物理概念、物理图象的理解、掌握和分析要求较高，综合性较强，因此要求实验者开动脑筋，认真思考，发挥创造能力，把实验做好；2、对实验中要做些什么？怎么做？应记录哪些现象、数据？事先应设计和考虑充分，不可到课上现想现做；3、实验过程中看到许多现象，哪些是有用的、能说明问题的？应认真加以分析和取舍；4、怎样写好实验报告？也请认真考虑。思考题1、用检偏器检测光的偏振状态时，出现消光现象的先决条件是什么？2、 “既然线偏振光经 1/4 波片后会变成椭园偏振光，那么椭园偏振光经 1/4 波片后必然会

22、变成线偏振光” ，此话是否正确?请说明理由。3、请设计一种实验方法，用于区别椭园偏振光和部分偏振光。4、在相互正交的起偏器和检偏器之间插入一块 1/2 波片1）如该波片光轴与起偏器偏振轴平行，透过检偏器的光强将发生什么变化?2）如该波片光轴与起偏器偏振轴正交，情况又如何?3）以上两种情况下，如将检偏器旋转 900，光强又将如何改变?请画图加以说明。实验四 衍射光强分布的测定(设计性实验)实验目的观察单色光通过单缝、多缝、圆孔、矩孔、光栅等图形时的衍射现象，了解衍射光强的分布特点；测量单缝衍射的光强分布曲线，进行相关的计算。实验仪器WGZ-光强分布测定仪，计算机数据采集和处理系统。仪器介绍一、W

23、GZ-型光强分布测定仪WGZ-型光强分布测定仪的主体，包括一个长度为 1m 的平直导轨，导轨（2）上备有数个滑块，滑块上安装着各种用途的支架，支架的高度可调。图 11-1 光强分布测定仪装置示意图光学系统包括：1、氦氖激光器（1） 提供单色光源，激光波长为 632.8nm；2、扩束镜组（3） 用于将细激光束扩展为均匀平行宽光束；3、偏振片组（4） 利用两片偏振片组合成光衰减器，用于减弱光强；4、光阑（5） 用于限制光斑大小；5、狭缝组件（6） 在感光板上制作各种衍射孔，包括狭缝、圆孔、方孔、光栅等等，见图 11-2，激光通过这些衍射孔时发生衍射。它被安装在二维可调的微调架（7）上；图 11-2

24、 狭缝组件图示6、屏（8） 衍射花样直接投射在光屏上，用白屏以便观察，用毛玻璃屏可便于输入CCD；7、采集器（CCD） （9） 用于采集衍射花样，并进行 A/D 转换，输入数字处理系统。CCD 前安装有照相镜头，内含可调光圈及聚焦系统，前者用于控制入射光通量，后者用于获得清晰数字图象。二、CCD 简介CCD 是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的简称，最早出现在 70 年代初的美国贝尔实验室。其优点是结构精细，体积小，坚实可靠并且在低电压下工作。CCD 主要应用于下面两个领域，一是电子计算机或是其他数字系统中用作信息存储和信息处理，二是用于摄像装置，把光学图像转换为电子

25、图像，输出时间序列的电信号。CCD 的两个最基本的功能是电荷存储和电荷传输。本实验中的 CCD 主要用作摄像，其基本的性能参数包括：1）分辨率：主要是指空间分辨率，它与每个像元的尺寸和像元之间的间距有关。器件的像元数越多，分辨率越高。2）暗电流：是指在无光照情况时在额定电压下输出的电流，测试显示，CCD 器件在室温下的暗电流约为 510nA/cm。3）灵敏度：主要由 CCD 器件响应度和各种噪声因素共同决定。由于 CCD 结构复杂，多缝表 1 衍射孔组件参数表噪声源也多，主要有光子噪声、暗电流噪声、表面捕获噪声等。当然理想的 CCD 摄像器件希望有高灵敏度。4）动态范围：指对于光照度有较大变化

26、时，器件仍能线性响应。它的上限是由电荷最大存储容量决定，下限仍是噪声所限制。5）光谱响应：CCD 器件的光谱响应与所用材料有关。通常用 Si 材料制作的 CCD 其光谱响应范围为 4501050nm。三、智能测试分析软件“智能测试分析软件”是 WGZ-光强分布测定仪采用的计算机数据处理软件，它可对二维平面上的光强分布进行观察，并绘制光强分布曲线、进行相关测量，还可进行三维显示。其用法请参见实验室提供的说明书。实验原理一、单缝夫琅和费衍射的光强分布当平行光垂直入射到宽为 b 的单缝上时，在无穷远处（亦即透镜焦面上）得到夫琅和费衍射图样，如图 11-3 和 11-4 所示。其光强分布为（11-1）

27、20sin)(uI=其中 为入射波波长， 为衍射角。,sin=buL P A B 图 11-3 单缝夫琅和费 衍射光路原理图图 11-4 单缝衍射光强分布实验曲线由（11-1）式可知：1）当 u = 0，即 = 0 ，I = I 0，衍射光强为中央主最大，I 0 与 b2 成正比；f2）当 u = K 时， ，即衍射光强极小，)2,1( 0,sin,0si =IbKu为暗条纹。若 角很小，则暗条纹的位置近似为（11-2）)2,1(=Kb3）暗条纹之间有次极大，它们的位置满足条件 ，utg次极大的位置为：（11-3）bb47.3,6.2,43.1其相对光强为：I / I0 = 0 .047，0.

28、017，0.008二、其它图形的夫琅和费衍射花样圆孔、矩孔、光栅等图形的夫琅和费衍射，与单缝衍射不同，它们的规律与特点请参阅教科书有关章节。实验内容一、调整实验系统实验系统调节是否恰当，关系到本实验的成败，请自行设计调节方案，使实验系统满足以下要求：1、按图 11-1 所示位置安装系统各部件，应保证系统各部分的稳定性；2、各元器件高度应调节适当，使得狭缝板在二维调节架的有限行程之内移动时，保证每个衍射孔都能依次被激光束照明； 3、各光学元件应调节共轴，照明衍射孔的光斑应均匀，亮度适当；4、调整 CCD 镜头应保证从电脑显示屏上看到完整而清晰的衍射花样。二、测量单缝夫琅和费衍射光强分布请根据原理

29、，自行设计一个利用单缝夫琅和费衍射光强分布曲线测量单狭缝宽度的实验方案，请老师检查。具体要求如下：1、选定一条单狭缝作为衍射孔，利用光强分布智能分析软件，在电脑屏幕上显示衍射图样，正确绘制出光强分布曲线；根据下面的提示，利用测量曲线上若干暗点的位置，计算单狭缝的宽度 b，请导出计算公式；2、将计算结果与表 1 中相应的标称值比较，计算相对误差，分析误差来源；3、将实验曲线与理论曲线进行比较，分析误差来源；4、打印一份实验曲线和相应的数据表（请署实名） ，夹入实验报告。提示1） 取宽度较大的 单狭缝作衍射孔，效果较为理想；2） 角的测量，可通过对光强分布曲线上主极大两侧多个暗点位置的测量间接地实

30、现，请设计具体的测量方法，并导出计算公式。注意：为保证测量精度，所测暗点的数量不得少于 4 个；3） 计算机显示屏上的距离标度（格）与实际长度单位 （mm ） 相差一个比例系数，应纳入计算公式，该系数值平均为 a = 0.032；4） 狭缝板到毛玻璃屏的距离是计算所需的重要参数，切勿漏测。三、观察衍射图样将狭缝组件上的图形依次移入光路，观察它们的衍射花样，分析其特点和规律，做好记录，并在实验报告中作出详细说明。提示由于软件设定的动态范围的限制，衍射花样中光强相差较大的部分不能同时得到清晰的观察效果，因此应根据需要随时调节入射到 CCD 中的光通量，以便观察到和理论分析相一致的实验现象。注意事项

31、1、注意激光的安全使用，避免意外伤害；2、注意保护 CCD，不得接受强光长时间照射，以免损坏；3、实验结束时，应首先关闭激光器和 CCD 的电源；4、注意保护暴露的光学元件，不使污染；5、光学元件的夹持必须牢固、稳定，以保证测量的顺利和精确。附件WGZ-型光强分布测定仪智能测试分析软件使用说明（请到实验室阅读）实验五 光谱特性研究（一）（综合性实验）实验目的1、 熟悉组合式光栅光谱仪的结构、工作原理和使用方法；2、 初步了解光电探测器的一般特性和用途；3、 学习一种测量未知光波波长的方法；4、 学习一种利用数字化手段采集和处理数据的方法。实验仪器WGD-3 型组合式多功能光栅光谱仪（包括计算机

32、） ，低压汞灯（或高压汞灯） ，低压钠灯，半导体激光器，打印机仪器结构及工作原理一、WGD-3 型组合式多功能光栅光谱仪的结构WGD-3 型组合式多功能光栅光谱仪由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D 采集单元和计算机组成，其连接顺序如图 12-1 所示，其中虚线框内为光谱仪部分。光源 光栅单色仪 接收单元 电子放大器扫描系统 高压电源A/D 计算机 采集单元打印机图 12-1 光栅光谱仪结构框图1、光栅单色仪光栅单色仪的结构原理如图 12-2 所示，其光学系统主要由以下三部分组成： 入射准直系统：由入射狭缝 S1、平面镜 M1 和准直球面反射镜 M2 构成，形成平行光束；衍射色

33、散系统：由平面反射光栅 G 构成，复色光经光栅衍射后形成沿不同方向传播的、波长不同的单色光；出射聚光系统：由聚焦球面反射镜 M3、转镜 M4 和出射狭缝 S2、 S3 构成，M 3 将光栅衍射的单色光会聚到出射狭缝上，转镜 M4 分别将其送至 S2 或 S3 出射。S 2 处安装接收单元光电倍增管，S 3 用于直接观察。光栅 G 被安装在特制的扫描系统上，可按计算机软件的指令使光栅绕竖直轴旋转，依次使不同波长的单色光从出射狭缝射出。本设备安装两块光栅，其线密度为 1100 条线/mm，闪耀波长分别为 360nm 和 550nm，采用刻划光栅的复制品。图 12-2 光栅单色仪结构示意图2、光电倍

34、增管本设备采用的光电探测器光电倍增管（PMT） ，是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转变成光电子并获倍增的重要的真空光电发射器件，它由光电阴极、电子光学输入系统、二次发射倍增系统及阳极等构成。光电倍增管的基本特性参数包括：1）灵敏度和光谱响应度 7）稳定性2）放大倍数（电流增益） 8）时间特性和频率特性3）暗电流 9）磁场特性4）伏安特性 10）偏振效应5）输出信号和等效电路 9）噪声6）线性和空间均匀性 11）通量阈为使光电倍增管能正常工作，通常需在阴极和阳极间加上近千伏的高压，同时通过分压器分配一定的极间电压，一般采用负高压供电方式。本设备采用特制

35、的高压电源提供光电倍增管所需的电源。3、数据采集与处理系统该系统由 A/D 采集单元和计算机构成。前者将电子放大器放大后的光电子信号转换成数字信号输入计算机，利用计算机专用软件处理数据。1）数据采集：启动 WGD-3 光谱仪软件，按实验者设定的工作方式、工作范围、工作状态，指令扫描系统带动光栅转动，使不同波长的光束依次通过出射狭缝 S2，被光电倍增管接收，产生的光电流经电子放大器放大，再经 A/D 转换，将光电子数字信号输入计算机系统。2）数据处理：在系统扫描的同时，计算机软件的制图系统在显示屏上同步进行描图，把光电倍增管接收到的光信号实时地用曲线描绘出来。扫描结束后，根据要求，利用软件的多种

36、功能进行数据处理，如“寻峰” 、 “波长检索” 、 “浓度测量” 、 “微分”等等。测量结S2 S1 M1 M2 G M4 S3 M3果可以数据形式或曲线形式用打印机打印输出。详细内容请参见光栅光谱仪使用说明书 。与本实验有关的操作功能仅包括其中的部分内容，将在实验内容中介绍。二、利用光栅单色仪测量光波波长原理我们已经知道，当入射光束与光栅不垂直时，光栅方程演变为（12-1 ）kd)sin(其中 d 为光栅常数， 为衍射光的波长， 和 分别是入射光束和衍射光束与光栅法线的夹角，k 为谱线级次。根据光栅单色仪的结构特点可知：（1）入射光束和衍射光束的夹角是固定的；（2）本设备只涉及+1 级衍射，

37、因此（12-1 ）式中取 k=1；（3）由设备结构决定（12-1）式括号中只需取“-” 号。因此，由（12-1 ）式可以方便地推导出光谱仪中光栅偏转角度与出射的衍射光波长 之间的关系： （12-2 ）2cos)sin(2d式中 为光栅偏转角度，设定 = 0 对应光栅垂直于入射光束的状态； 为入射光束和衍射光束的夹角，是由设备结构确定的一个定值。由（12-2）式可知，只需测出光栅的偏转角度 ，即可由（12-2）式推知出射光的波长 。系统软件设置了该推导结果，利用“寻峰”功能，即可直接从扫描曲线上确定特征谱线对应的波长。实验内容和要求一、了解光栅光谱仪的外部结构和各元器件的连接顺序注意1、图 12

38、-1 中的“高压电源” 和“电子放大器”被安装在一个称为“电箱”的设备中，开启电源开关，两部分都开始工作；2、光谱仪的入射狭缝 S1 和出射狭缝 S2、S 3 在使用前应正确调整，顺时针旋转使狭缝宽度增大，逆时针旋转使狭缝宽度减小。每旋转一周，狭缝宽度改变 0.5mm。宽度范围为0-2.5mm，调节狭缝时不得大于 2.5mm。本实验要求狭缝宽度取 0.5mm 以下。实验结束时，请务必将狭缝调到 0.1-0.5mm 之间。3、在 S3 的下方有一转换开关，共有两档：将扳手放在“观察”档时，M 4 将光反射至S3 出射，直接观察谱线；将扳手放在“光电倍增管”档时，M 4 转离原位，衍射光从 S2

39、射出，由光电倍增管接收。二、了解 WGD-3 型光谱仪软件的基本使用方法1、从计算机桌面上点击 软件开始启动；WGD-3 型组合式多功能光栅光谱仪2、进入软件工作平台，图 12-3 是该工作界面的简单示意图。 文件 信息/视图 工作 读取数据 数据图形处理 关于新建 打开 保存 打印 预览 单程 重复 定点 停止 浓度 检索 退出高级 当前寄存器 样品名称 操作人 数据 寄存器-1 系统参数设置工作方式模式 能量 间隔 0.1 nm工作范围起始波长 400.0 nm终止波长 650.0 nm 工作区最大值 1000.0最小值 0 工作状态负高压 3增 益 2采集次数 476 次寄存器信息提示区

40、图 12-3 软件工作界面示意图3、弹出提示对话框，点击 取消 ，使系统初始化；4、设定工作参数（见工作界面左侧） ，并选定寄存器编号；5、从“信息/视图”菜单中选择 “采集信息” ，输入有关信息，如“样品名称” 、 “操作人”等；6、点击界面上方 单程 按钮，系统开始扫描，工作区内实时地描绘出光源的光栅光谱强度曲线；7、从“读取数据”菜单中选择“寻峰” ，可确定曲线峰值对应的波长值，显示在数据表中；8、点击 打印预览 按钮，在“打印设置”栏内选择“图像及峰谷” ，点击 确定 ；9、点击 打印 按钮，可将曲线和数据一并打印输出；10、图 12-3 所示工作界面上还列有许多功能，实验者感兴趣可一

41、一浏览。当前波长200.0nm辅工具栏三、观察和测量未知谱线的波长分别用低压汞灯、低压钠灯和半导体激光器作光源，利用光谱仪软件的“单程扫描功能”绘制出它们的光栅光谱强度曲线图，进行测量。1、数据的采集：1）将选定的光源置于入射狭缝 S1 处，选定狭缝 S1 和 S2 的宽度（参考值：0.2mm 以下）；2）设定工作参数：在工作界面左侧“参数设置”栏中，根据需要键入各项参数， （图12-3 中示出的是参考数据，应根据实验时的具体情况，由实验者设定） ；说明 “工作状态”中的“负高压”指光电倍增管的供电电压，应在电箱上用旋钮调节到所需电压，然后将电压表上的指示数键入“负高压”栏中，电压越高，扫描谱

42、线强度增大；“增益”是设置放大器的放大率，共设 1-8 档，档次越高，增益越大，扫描谱线强度增大。3）波长修正：利用已知波长的谱线对光栅单色仪进行定标，这是使用该仪器测量前必须进行的调整。方法是：第一步，选用低压汞灯 435.8nm 谱线作为已知波长，选取 S1=S2=0.07mm，设定适当的工作范围，进行扫描；第二步，在“读取数据”栏里采用“寻峰”的“自动寻峰”功能，对扫描曲线的峰值进行测定，显示相应的波长值；第三步，若显示的波长值不等于 435.8nm，则利用“读取数据”栏里的“波长修正”功能进行修正；第四步，点击 退出 按钮，然后重新启动该软件，完成波长修正； 4）选定寄存器：共设置 5

43、 个寄存器，正式扫描前，应选定一个寄存器；5）试扫描：设定合适的工作参数进行试扫描，根据扫描曲线的形状，或调整工作参数，或改变狭缝宽度，应进行多次试验，直到满意位置；6）保存：选择满意的曲线图，调出相应的寄存器（可利用“读取数据”栏里的“显示”功能选择） ，保存入文件，文件扩展名为 *.gd3 ；7）对三种光源分别完成上述步骤。2、测量：1）利用“半自动寻峰”或“自动寻峰”功能（在界面下方的“辅工具栏”中设有按钮），在曲线图上确定强度在某值以上的谱线所对应的波长，完成后显示数据表；2）用打印机打印实验结果，作为实验报告的一部分；注意 打印前应先进行“预览” ，设置合适的打印参数。3）将测量结果

44、与标准谱波长值（见附录）对照，评估误差的水平。3、观察：从出射狭缝 S3 处用肉眼或用白纸屏观察出射光的颜色和顺序，与相应的波长对照。注意 观察前应将 S3 下方的转换扳手放在“观察”档；用激光或高压汞灯作光源时，切勿用肉眼直接观察。注意事项1、光电倍增管属精密光电检测器件，内含真空光电发射管，应注意保护，轻拿轻放；使用时注意避免强光照射；2、汞灯工作温度较高，应注意安全，避免烫伤；3、狭缝的调节应注意分寸，在 02.5mm 范围内变化，不得超出此范围；4、工作界面左上角的 新建 按钮，是用于清除当前实验的所有数据，应谨慎使用；5、WGD-3 型光谱仪具有多种功能，包括数据处理功能和测试功能，如想更多了解，请在完成预定实验任务后进行。思考题1、 试讨论光栅单色仪入射狭缝和出射狭缝的宽度对出射光单色性的影响。2、 用肉眼直接观察时为什么看不到象狭缝一样的细谱线？用什么方法可以看到细谱线？3、 本实验所测的曲线是角色散还是线色散？