试验4自组装光栅光谱仪及其校准试验

1、专业：姓名：学号：河尹乩洋实验报告日期：地点： 玉泉教三209-2116课程名称：2011-2012光信息综合实验指导老师:实验名称：自组装光栅光谱仪及其校准实验同组学生姓名：一、实验目的和要求二、实验内容和原理五、实验结果记录、数据处理分析六、思考题林远芳成绩： 实验类型：综合型三、主要仪器设备四、操作方法和实验步骤七、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议一、实验目的和要求1、了解光栅的分光原理及主要特性；2、了解光栅光谱仪的工作原理；3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法；二、实验内容和原理1。衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，它的记录介质多采用光致抗蚀剂，一般用激光器作光源，可产

2、生每毫米几千条对的空间频率的光栅，并且通过曝光和显影，直接得到浮雕型的正弦透射光栅。相邻刻线的 间距d称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。当平行光入射 到一块平面衍射光栅时，让衍射光波经过一透镜，则在透镜焦平面上得到光栅的夫琅和弗衍射图象，见图 如果光源是平行于光栅刻痕的狭缝光源发出的准单色光，则衍射花样是一些分立的亮线（亮条纹）光栅衍射图图1(1)亮纹位置满足如下条件一一光栅方程式d(sini 二 sinVm)=m ,m = 0,二 1,二 2式中，d为光栅常数，d=a+b,在可见光范围内, d 一般在1/10001/500mm之间。二m为第m级亮纹对

3、应的衍射角，入为入射光波长，i为入射平行光对光栅面的入射角，m为多缝干涉主极大级数。入射光处于光栅面法线同侧的亮条纹时上式中取正号；异侧时取负号。光栅上的每一条缝的单缝衍射在B方向上P点产生一个光振动，N条缝在P点产生的N个光振动的振幅相同，他们的相干叠加决定了P点的光强，光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉的总效果。亮纹（主极大）中心位置满足光栅方程中m= 0, （ 0= 0）时，dsin 4 0为中央明纹中心。其他亮纹（主极大）中心位置： 满足多缝干涉的光栅方程：d sin% = m ,m 二 0,1,2（ 2不满足单缝衍射暗纹条件：as in vm =二m ,m =1,2,3（ 3m 为单缝衍射

4、暗纹级数。（2、3）式要同时满足，才会出现主极大暗条纹位置：r（2m+1）d sin 珀,m = 0,1,2(4)(5)2asin vm = m ,m = 1, 2,3（4、5）式只需满足一个便是暗纹。1 .光栅的色散复色光入射时，除零级外各波长的衍射亮线分开，各色同级亮级分开的程度用光栅的色散来表示。定义:d v md v m= 夸角色散dk d cos日（弧度/埃）；当日小时，d丸 d。dl d .f线色散d d （毫米/埃）。可见光栅的色散与光波长无关，它仅决定于光栅常数d和被考察亮线的级次 m,色散是作为分光元件的衍射光栅的重要特性参数。根据光栅方程，只要测得某光波第m级亮级的衍射角m

5、，并已知光栅常数 d和入射角i，则可求得该光波波长。同时，如果测得各色光第m级亮线的衍射角0，则可算得各色光的波长差，求得第m级亮线的角色散。f为会聚透镜的焦距。2 .光栅的色分辨本领光栅的色分辨本领用波长入附近能被分辨的最小波长差的比值来表示，即：& =mN4式中m是光谱级次，N是光栅的总刻痕数。3 .光栅的自由光谱范围光栅光谱中，不发生越级的最大光谱范围称为光栅的自由光谱范围，表示为:/ m可以看出，光栅的色分辨本领正比于刻痕数N和级次m,但自由光谱范围反比干涉级次 m,所以光栅使用时应根据需要合理地选择参数。三、主要仪器设备1、低压汞灯及电源：发光波长404.7nm、435.8nm、54

6、6.1 nm、577.0nm、579.0nm；2、透镜及固定调节架 2个：（焦距f=45mm，口径38mm ;焦距f=190mm，口径38mm）;3、狭缝及固定调节架 1个：02mm ;4、光栅及固定调节架 1个：光栅自制；5、USB接口摄像头及固定调节架 1个；6、计算机及软件；光栅光谱实验装置如图 2所示，光源发出的光经透镜A汇聚到狭缝上，狭缝放置在透镜B的前焦面出来的平行光入射到光栅上，通过摄像头自带的透镜成像到光电接收器。光源45mm透镜狭缝190mm透镜 光栅图2光栅光谱实验装置摄像头四、操作方法和实验步骤1 启动汞灯。观察光源发出连续的光，而不是时断时续即可。2 利用现有平台布置光

7、路，放置透镜A （焦距=45mm）,使得光源发出的光汇聚到狭缝面上，同时要求狭缝位于光斑的中心位置。3调节狭缝宽度为1mm。狭缝宽度范围02mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小。每旋 转一周狭缝宽度变化 0.5mm，最大调节宽度为 2mm。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意最大不 要超过2mm。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最好调节到0.1mm0.5mm左右。4调节透镜B位置，使狭缝处于透镜 B的前焦面上，经透镜 B后成为平行光。5 调节光栅（标准光栅的空间频率为300/mm）的位置，观察反射光使其与狭缝重合。（如6 启动计算机，运行计算机桌面上的摄像头捕捉软件或启动“扫描仪和照相机”界面来采集光谱图像图3所示）。打开光谱分析软件，对该光谱图像进行分析处理。7 将标准光栅换成学生自制的光栅，测出其空间频率。8仍使用标准光栅，改变光源，分别将汞灯换成LED灯和台灯，观察它们的光谱图像，求出