用CCD摄谱仪测量光波波长.doc

1、1近代物理实验用 CCD 棱镜摄谱仪测量光波波长一、实验目的1、了解 CCD 棱镜摄谱仪的结构、原理和使用方法2、会用 CCD 棱镜摄谱仪测定光波波长二、实验仪器汞灯、氦灯、CCD 微机棱镜摄谱仪，Origin 软件三、实验原理1、棱镜摄谱仪的构成图 1棱 镜 摄 谱 仪 由 准 直 系 统 、 偏 转 棱 镜 、 成 像 系 统 、 光 谱 接 收 四 部 分 组 成 。 棱 镜 根 据 折 射 光的 色 散 原 理 把 平 行 混 合 光 束 分 解 成 不 同 波 长 的 单 色 光 。 本 实 验 用 的 小 型 玻 璃 棱 镜 摄 谱 仪 ， 可用 来 拍 摄 可 见 光 区 域 的

2、 光 谱 ， 采 用 恒 偏 棱 镜 代 替 图 1 中 的 三 棱 镜 ， 因 此 照 相 装 置 中 光 学 系 统的 光 轴 与 准 直 管 的 光 轴 垂 直 （ 图 2） 。图 22、 摄 谱 仪 的 性 能（ 1） 色 散 棱 镜 的 角 色 散 为（ 1）dnAdDm2si1它 表 示 相 差 单 位 波 长 的 两 谱 线 分 开 的 角 距 离 。 实 际 应 用 时 ， 常 使 用 线 色 散 D1=dl/d， 以 表 示相 差 单 位 波 长 的 两 谱 线 在 光 谱 面 上 分 开 的 距 离 。 仪 器 的 线 色 散 数 值 越 大 ， 不 同 波 长 两 谱 线

3、 中 心分 开 的 距 离 也 越 远 。（ 2） 分 辨 本 领 2仪 器 分 辨 本 领 的 物 理 含 义 是 摄 谱 仪 摄 取 波 长 为 附 近 的 光 谱 时 ， 刚 刚 能 分 辨 两 谱 线 的 波 长差 为 d。 根 据 瑞 利 判 据 ， 色 散 棱 镜 的 理 论 分 辨 本 领 为（ 2）dnbR要 提 高 棱 镜 摄 谱 仪 的 光 谱 分 辨 本 领 ， 必 须 选 用 高 色 散 率 的 材 料 制 作 色 散 棱 镜 ， 且 使 底 边 较 宽 （ b大 ） 。（ 3） 相 对 孔 径谱 线 的 照 度 E 主 要 决 定 于 进 光 狭 缝 的 亮 度 B

4、和 照 相 物 镜 L2 的 相 对 孔 径（ 3）2)(fDE要 增 加 谱 线 的 照 度 ， 可 应 用 聚 光 照 明 系 统 ， 提 高 狭 缝 的 亮 度 ； 并 选 用 相 对 孔 径 大 的 照 相 物 镜 。3 测 量 待 测 谱 线 的 波 长棱 镜 光 谱 的 线 色 散 率 在 各 波 长 处 均 不 同 ， 如 果 所 取 波 长 范 围 甚 小 ， 则 可 近 似 认 为 该 范 围 里色 散 率 是 恒 定 的 ， 即 底 板 上 谱 线 位 置 n 和 波 长 间 是 线 性 关 系 。 在 靠 近 待 测 波 长 x 的 两 侧 ，选 两 条 波 长 1、 2

5、 为 已 知 的 谱 线 ， 测 出 三 条 谱 线 在 底 板 上 的 位 置 nx、 n1 和 n2。 则 可 依 据 线 性 关系 ， 从 1、 2、 n1、 n2 和 nx 求 出 x 值 ， 此 方 法 为 内 插 法 。（ 4）)(12121nxx四、实验步骤1、观察汞灯和氦灯的光谱（ 1） 调 节 光 源调 节 时 ， 先 将 汞 灯 S 点 亮 ， 将 光 源 S 和 聚 光 照 明 透 镜 L 放 在 摄 谱 仪 的 底 座 导 轨 上 ， 使 两者 与 摄 谱 仪 的 入 射 缝 S1 等 高 。 调 节 光 源 S 和 聚 光 照 明 透 镜 L 的 位 置 ， 使 光

6、源 S 发 出 的 光 通 过聚 光 照 明 透 镜 L 在 入 射 缝 上 S1 上 聚 焦 （ 目 测 达 到 最 亮 即 可 ） 。（ 2） 调 节 摄 谱 仪 并 观 察 光 谱在 F 处 放 一 块 毛 玻 璃 ， 调 节 入 射 缝 S1 上 方 的 螺 旋 测 微 器 旋 钮 （ 用 途 是 改 变 入 射 缝 S1 的宽 度 ） ， 使 得 在 F 处 能 够 观 察 到 清 晰 的 光 谱 。 若 在 调 节 螺 旋 测 微 器 旋 钮 后 仍 看 不 到 光 谱 ， 则 调 节L2 右 侧 的 旋 钮 ， 改 变 光 谱 在 F 处 成 像 的 左 右 位 置 。 这 时

7、可 清 晰 的 看 到 汞 灯 的 光 谱 。 记 下 各 条谱 线 的 颜 色 。注 意 ： 在 一 般 情 况 下 应 尽 量 避 免 将 缝 宽 调 到 零 ， 以 免 损 坏 刀 口 ！（ 3） 将 汞 灯 从 摄 谱 仪 的 底 座 导 轨 上 拿 下 ， 换 成 氦 灯 ， 重 复 （ 1） -（ 2） 的 操 作 ， 观 察 氦 灯 谱线 ， 记 下 各 条 谱 线 颜 色 。2、拍摄汞灯和氦灯的光谱将毛玻璃片从 F 处拿下，换成 CCD 摄谱仪的采集器。打开电脑桌面上的 ccdshot 快捷方式，点击菜单栏“文件”中的“开始采集” ，观察电脑屏幕上氦灯的谱线图象。再点击菜单栏“

8、文件”中的“另存为” ，将图象存至桌面，命名为自己的学号。将氦灯换成汞灯，重复上述操作，将汞灯的图象存在桌面上。注意：在换成汞灯后，不能移动 CCD 采集器在 F 上的位置。3、记录汞灯和氦灯的光谱数据打开电脑桌面上的 ccdshot 快捷方式，点击菜单栏“查看数据”中的“打开/添加对比曲线” ，选择桌面上存储的汞灯谱线图；用同样方法打开桌面上存储的氦灯谱线图。记录汞灯四组横坐标 X 与波长 Y 的数据，用 Origin 软件绘图，并进行曲线的二次拟合，记下 Y和 X 的关系式。记录氦灯二至四个横坐标 X 的数据，将数据 X 带入拟合的方程，算出波长 Y 并查表计算相对误差，分析误差原因。3五

9、、数据记录与处理1、Hg 灯横坐标与波长的关系横坐标 对应波长（nm）281（黄） 579.07308（黄） 576.96782（绿） 546.073651（蓝紫） 435.84用二次曲线拟合得：0102030405040420404604805052054056058060 B Dat1B(nm) 分析得：Polynomial Regression for Data1_B:Y = A + B1*X + B2*X2Parameter Value Error-A 595.32009 3.63573B1 -0.06083 0.00566B2 4.54281E-6 1.1203E-6-R-Squar

10、e(COD) SD N P-0.99876 4.12648 5 0.00124-即 Hg 的波长与坐标的关系: =Y= 595.32-0.061*X+4.543*X2nm2、把测得的 He 的坐标带入关系式:=Y= 595.32-0.061*X+4.543*X2nm可得到 He 的波 长为：41=585.56nm（黄光） 2=507.08nm（蓝绿光）3=494.58nm（蓝绿） 4=457.73（蓝）He 灯波长测量误差:横坐标 测量值（nm）标准值（nm）相对误差（%）162 585.56 587.03 0.251649 507.08 501.57 1.101854 494.58 492.19 0.1092409 457.73 447.15 2.37六、实验注意事项1、要把汞和氦的图拍到一起做比较，但要上下错开。2、本实验在取相应波长的横坐标时范围大，但我们尽量选择中间位置读数。3、在一般情况下应尽量避免将缝宽调到零，以免损坏刀口。