光栅光谱仪实验

1、光栅光谱仪实验近代物理实验近代物理实验光栅光谱仪实验光栅光谱仪实验光栅光谱仪实验提要提要 实验背景 实验目的 实验仪器 实验原理 思考问题 注意事项光栅光谱仪实验1.光谱：光谱：按一定次序排列的彩色光带。按一定次序排列的彩色光带。2.2.光谱分类：光谱分类：（1 1）按照波长划分）按照波长划分: :射线射线(0.04nm(0.04nm以下以下),X),X射线射线(0.04(0.045nm),5nm),光学光谱光学光谱(5nm(5nm600m),600m),微波波谱微波波谱(1mm(1mm1m)1m)。通常所说的光谱仅指光学光谱。通常所说的光谱仅指光学光谱。（2 2）按其外形划分）按其外形划分：

2、连续光谱、带光谱和线光：连续光谱、带光谱和线光谱。谱。（3 3）按照电磁辐射的本质划分）按照电磁辐射的本质划分：分子光谱、原：分子光谱、原子光谱、子光谱、X X射线能谱和射线能谱和射线能谱。射线能谱。 实验实验背景背景光栅光谱仪实验 光 谱发射光谱定义：由发光体直接产生的光谱连续光谱产生条件：炽热的固体、液体和高压气体发 光形成的光谱的形式：连续分布，一切波长的光都有线状光谱产生条件：稀薄气体发光形成的光谱光谱形式：一些不连续的明线组成，不同元素的明线光谱不同（又叫特征光谱）吸收光谱定义：连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱产生条件：炽热的白光通过温度较白光低的气体后，再色散形成的光谱

3、形式：用分光镜观察时，见到连续光谱背景上出现一些暗线（与特征谱线相对应）3. 3. 光谱的特点及成因：光谱的特点及成因：光栅光谱仪实验 光谱分析：光谱分析：由于每一种元素都有自己的特由于每一种元素都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成。这种方法叫做光谱分析。定它的化学组成。这种方法叫做光谱分析。 光谱仪：光谱仪：光谱仪是指利用折射或衍射产生光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量和分析中最常用的仪器，谱测量和分析中最常用的仪器， 光栅光谱仪实验1. 1. 了解光

4、栅光谱仪的工作原理了解光栅光谱仪的工作原理2. 2. 掌握利用光栅光谱仪进行测量掌握利用光栅光谱仪进行测量 的技术的技术 实验实验目的目的光栅光谱仪实验 WDS8A WDS8A型组合式多功能光栅光谱仪型组合式多功能光栅光谱仪 计算机计算机 氘灯、钠灯、汞灯等各种光源氘灯、钠灯、汞灯等各种光源 实验实验仪器仪器光栅光谱仪实验1. 光栅光谱仪光栅光谱仪结构结构示意图示意图由入射狭缝由入射狭缝S1S1、准直球面反射镜、准直球面反射镜M1M1、光栅、光栅G G、聚焦球面反射镜聚焦球面反射镜M2M2以及输出狭缝以及输出狭缝S2S2构成构成。 实验实验原理原理光栅光谱仪实验衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器

5、件 它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间距相邻刻线的间距d d称为光栅常数，通常刻线密称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。谱仪狭缝平行。 光栅光谱仪实验光栅方程光栅方程(sinsin) (1.1)dm为入射角，为入射角，为衍射角，为衍射角，其

6、中：其中：衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出：当入射角给定时，可以由光栅方程导出： (1.2)cosdmdd光栅光谱仪实验复色入射光进入狭缝复色入射光进入狭缝S1S1后，经后，经M2M2变成复色平行光照变成复色平行光照射到光栅射到光栅G G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，光束并以不同的衍射角度出射，M2M2将照射到它上面将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2S2上，再由上，再由S2S2后面后面的电

7、光探测器记录该波长的光强度。的电光探测器记录该波长的光强度。 光栅光谱仪实验光栅光栅G G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。光栅单色仪。光栅光谱仪实验2cossindm在使用单色仪时，对波长

8、进行扫描是通过旋转光栅在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图所示）角度之间的关系（如图所示） 其中：其中：为光栅的旋转角度，为光栅的旋转角度，为入射角和衍射角之和的一半，为入射角和衍射角之和的一半，为一常数。为一常数。对给定的单色仪来说，对给定的单色仪来说，光栅光谱仪实验有三个部分：有三个部分：1 1 光学系统光学系统2 2 电子系统电子系统3 3 软件系统软件系统WDSWDS系列多功能光栅光谱仪结构框图如图所示系列多功能光栅光谱仪结构框图如图所示 实验实验装置装置光栅光谱仪实验M

9、1M1准光镜、准光镜、M2M2物镜、物镜、M3M3转镜、转镜、G G平面衍射光栅平面衍射光栅、S1S1入射狭缝、通过旋转入射狭缝、通过旋转M3M3选择出射狭缝选择出射狭缝S2S2或或S3S3从而选择接收器件类型，出射狭缝为从而选择接收器件类型，出射狭缝为S2S2则为光电倍增管或硫化铅、钽酸锂、则为光电倍增管或硫化铅、钽酸锂、TGSTGS等接等接收器件；出射狭缝为收器件；出射狭缝为S3S3则为则为CCDCCD接收器件。接收器件。 光学系统光学系统光谱仪光学系统光谱仪光学系统采用采用C-TC-T型，如型，如图所示：图所示：光栅光谱仪实验入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围入射狭缝、出射狭缝均为直

10、狭缝，宽度范围0 02mm2mm连续可连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝调，光源发出的光束进入入射狭缝S1S1，S1S1位于反射式准光位于反射式准光镜镜M2M2的焦面上，通过的焦面上，通过S1S1射入的光束经射入的光束经M2M2反射成平行光束投反射成平行光束投向平面光栅向平面光栅G G上，衍射后的平行光束经物镜上，衍射后的平行光束经物镜M2M2成像在成像在S2S2上上，或经物镜，或经物镜M2M2和和M3M3平面镜成像在平面镜成像在S3S3上。上。 光源系统为仪器提供工作光源，可选氘灯、钨灯、钠灯光源系统为仪器提供工作光源，可选氘灯、钨灯、钠灯、汞灯等各种光源。、汞灯等各种光源。光栅光谱仪实验

11、2 2 电子系统电子系统电子系统由电源系统、接收系统、信号放大系电子系统由电源系统、接收系统、信号放大系统、统、A/DA/D转换系统和光源系统等部分组成。转换系统和光源系统等部分组成。电源系统为仪器提供所需的工作电压；接受系电源系统为仪器提供所需的工作电压；接受系统将光信号转换成电信号；信号放大器系统包统将光信号转换成电信号；信号放大器系统包括前置放大器和放大器两个部分；括前置放大器和放大器两个部分；A/DA/D转换系统转换系统将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行处理。处理。光栅光谱仪实验3 3 软件系统软件系统软件系统主要功能有：仪器系统复位、光谱

12、扫描、软件系统主要功能有：仪器系统复位、光谱扫描、各种动作控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数各种动作控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数据文件管理、光谱数据的计算等。据文件管理、光谱数据的计算等。WDSWDS系列多功能光栅光谱仪的控制操作由计算机操系列多功能光栅光谱仪的控制操作由计算机操作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度、出作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度、出射狭缝宽度和负高压（光电倍增管接收系统）不受射狭缝宽度和负高压（光电倍增管接收系统）不受计算机控制用手工设置以外，其它的各项参数设置计算机控制用手工设置以外，其它的各项参数设置和测量均由计算机来完成。和测量均由计算机来完成

13、。 光栅光谱仪实验WDSWDS系列多功能光栅光谱仪器系统操系列多功能光栅光谱仪器系统操作软件根据型号不同和接收仪器不作软件根据型号不同和接收仪器不的同配有的同配有PMTPMT操作系统和操作系统和CCDCCD操作系操作系统。每一系统均可采用快捷键和下统。每一系统均可采用快捷键和下拉菜单来进行仪器操作。拉菜单来进行仪器操作。 光栅光谱仪实验3.1 PMT3.1 PMT操作系统操作系统3.1.1 3.1.1 开机与系统复位开机与系统复位确认光栅光谱仪已经正确连接并打开电源。确认光栅光谱仪已经正确连接并打开电源。在在WONDOWSWONDOWS操作系统中，从操作系统中，从“开始开始”“程序程序”“WD

14、S“WDS系列光栅光谱仪系列光栅光谱仪”中执行相应的中执行相应的PMTPMT可执行程序，或双击桌面上的快捷方式，启动系可执行程序，或双击桌面上的快捷方式，启动系统操作程序。统操作程序。在系统初始化过程后应有波长复位正确的提示，在系统初始化过程后应有波长复位正确的提示，然后按然后按“确定确定”进入系统操作主界面。进入系统操作主界面。 软件系统软件系统光栅光谱仪实验 参数设置参数设置 即根据测量需对系统参数进行相应的参数即根据测量需对系统参数进行相应的参数设置。设置。 光谱扫描光谱扫描 根据当前参数设置对当前光谱进行记录根据当前参数设置对当前光谱进行记录。 数据处理数据处理-读取数据读取数据 读取

15、当前图谱的横、纵坐标数据，可选读取当前图谱的横、纵坐标数据，可选择择 列表方式或光标读取方式。列表方式或光标读取方式。光栅光谱仪实验 3.1.4 3.1.4 退出系统与关机退出系统与关机 当系统测试结束后，将出射、入射狭当系统测试结束后，将出射、入射狭缝调节至缝调节至0.1mm0.1mm左右，若有负高压系统左右，若有负高压系统，则将负高压调节至零。点击菜单栏中，则将负高压调节至零。点击菜单栏中“文件文件 退出系统退出系统”，按照提示关闭电，按照提示关闭电源退出仪器操作系统。源退出仪器操作系统。 光栅光谱仪实验五五 实验内容和步骤实验内容和步骤 1 1、开机之前、开机之前 请认真检查光栅光谱仪的

16、各个部分（单色仪请认真检查光栅光谱仪的各个部分（单色仪主机、电控箱、接受单元、计算机、）连线主机、电控箱、接受单元、计算机、）连线是否正确，保证准确无误。是否正确，保证准确无误。 为了保证仪器的性能指标和寿命，在每次使为了保证仪器的性能指标和寿命，在每次使用完毕，将入射狭缝宽度、出射狭缝宽度分用完毕，将入射狭缝宽度、出射狭缝宽度分别调节到别调节到0.1mm0.1mm左右。在仪器系统复位完毕后左右。在仪器系统复位完毕后，根据测试和实验的要求分别调节入射狭缝，根据测试和实验的要求分别调节入射狭缝宽度、出射狭缝宽度到合适的宽度。宽度、出射狭缝宽度到合适的宽度。光栅光谱仪实验 2 2、接收单元、接收单

17、元 WDS WDS系列多功能光栅光谱仪根据仪器型号的系列多功能光栅光谱仪根据仪器型号的不同配有光电倍增管、不同配有光电倍增管、CCDCCD、硫化铅、钽酸锂、硫化铅、钽酸锂、TGSTGS等不同接收单元。等不同接收单元。 注意，若采用光电倍增管作为接收单元，不注意，若采用光电倍增管作为接收单元，不一定要在光电倍增管加有负高压的情况下，一定要在光电倍增管加有负高压的情况下，使其暴露在强光下（包括自然光）。在使用使其暴露在强光下（包括自然光）。在使用结束后，一定要注意调节负高压旋钮使负高结束后，一定要注意调节负高压旋钮使负高压归零，然后再关闭电控箱。压归零，然后再关闭电控箱。光栅光谱仪实验 3 3、狭

18、缝调节、狭缝调节 仪器的入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽仪器的入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽度范围度范围02mm02mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽连续可调，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度加大，反之减小。每旋转一周狭缝宽度变化化0.5mm0.5mm，最大调节宽度为，最大调节宽度为2mm2mm。为延长使用。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意最大不要超过寿命，狭缝宽度调节时应注意最大不要超过2mm2mm。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最好调节到好调节到0.1mm05mm0.1mm05mm左右。左右。光栅光谱仪实验 4 4、电控箱

19、的使用、电控箱的使用 电控箱包括电源、信号放大、控制系统和光电控箱包括电源、信号放大、控制系统和光源系统（氘灯和钨灯可选件，不包括在光谱源系统（氘灯和钨灯可选件，不包括在光谱仪器的标准配置中）。在运行仪器操作软件仪器的标准配置中）。在运行仪器操作软件前一定要确认所有的连接线正确连接且已经前一定要确认所有的连接线正确连接且已经打开电控箱的开关。打开电控箱的开关。光栅光谱仪实验 5 5、采用标准光谱灯进行波长校准、采用标准光谱灯进行波长校准 光栅光谱仪由于运输过程中震动等各种原因，光栅光谱仪由于运输过程中震动等各种原因，可能会使波长准确度产生偏差，因此在第一次使可能会使波长准确度产生偏差，因此在第

20、一次使用前用已知的光谱线来校准仪器的波长准确度用前用已知的光谱线来校准仪器的波长准确度 在平常使用中，当对光栅光谱仪器系统检测发在平常使用中，当对光栅光谱仪器系统检测发现系统波长值与准确波长不对应时，可通过此项现系统波长值与准确波长不对应时，可通过此项对系统波长进行校正，在对话框中输入系统值与对系统波长进行校正，在对话框中输入系统值与实际波长值的差值，点击确定即可。实际波长值的差值，点击确定即可。光栅光谱仪实验 零点波长校正零点波长校正 检查仪器波长准确度可用氘灯（标准值为检查仪器波长准确度可用氘灯（标准值为486.0nm486.0nm和和656.1nm656.1nm）、钠灯（标准值为）、钠灯（标准值为589.0nm589.0nm和和589.6nm589.6nm）、）、汞灯（标准值为汞灯（标准值为404.7nm 404.7nm 、435.8nm435.8nm、546.1nm546.1nm、577.0nm577.0nm、579.0nm579.0nm）以及其它已知光谱线的来源来）以及其它已知光谱线的来源来进行。进行。 例：例： 用氘灯谱线校准用氘灯谱线校准 利用氘灯的两根谱线的波长值（标准值为利用氘灯的两根谱线的波长值（标准值为486.0nm486.0nm和和656.0nm656.0nm）来进行校准仪器。根据能量信号大小手）来进行校准仪器。根据能量信号大小手工调节入射狭缝和出射