使用光学多道测量光谱实验报告解读

1、近代物理学实验报告使用光学多道测量光谱亍江波班级：物理091学号：09990233联系方式：670959摘要光学多通道分析器 （Optical MultiChannel Analyzer ）简称OMA ,是一种采用多通道快速 检测和显示微弱光谱信号的电子光学仪器。它能方便地给出各种待测光谱的光谱曲线和光谱数据，可用于快速光谱分析及各种光谱研究。光学多通道分析器是由光学多色仪、并行检测器及其控制器和数据处理台（专用的微型电子计算机及其输出显示用的荧光屏）等三大部分组成。关键词电荷耦合器件；光学多道分析器；光谱仪用微操作引言地质 紫外 使大家了解发光二极在现代光学多道检测系统中， 以光导摄象管或扫

2、光二极管列阵作为多通道检测器， 处理机采集，处理并存贮数据， 并且采用多色仪的光学多道分析器，其特点是体积小、 方便、速度快、信息容量大，而且光谱分辨率、时间分辨率和空间分辨率都极高。光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、和考古等部门。常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。涉及的波段从x射线、光、红外光到微波和射频波段。本实验通过测量发光二极管发射光谱， 管的主要光学特性和光谱测量的基本方法。实验方案一、实验目的1 了解电耦合器件（CCD）的原理并掌握OMA系统的工作原理与使用注意事项。 2用低压汞灯谱线作为一只波长进行波长测量定标，观测并记录钠灯光谱。G

3、（光栅平面的方位可由精密机械调二、实验原理光学多通道分析仪原理为平行光束入射到平面光栅 节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：d sin0 =k入,k =0,±1,±2|H式中d是光栅常数入是入射光波长，k是衍射级次，0为衍射角。由光栅方程可知，当光栅常数d 一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧， 由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、很锐的亮线。由dsin0 =k入可知，级次间距对应dcosMThMTm/gcosB）当角度&较小的时,角度间隔？0最小，当角度0增加时，角度间隔？0增加。所

4、以光谱排列并非按角度0线性分布。当角度0较小时可以简化为线性， 即可采用线性定标， 更进一步可以从级数展开的角度 采用2次、3次、或4次定标，在本实验中，我们采用线性定标。定标：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下，采集已知谱线，然后对已知谱线定标，随即将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下， 采集未知的谱线， 可直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长(或中心波长)。在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。定标

5、也是有误差的。定标使用谱线位置的远近， 以及采用的是几次定标，都会影响到数据的准确性。CCD传感器是WGD-6型光学多通道分析器数据采集部分的核心，也是整个系统的关键所在，它的作用是将衍射光谱转换成电信号。CCD全称电荷耦合器件(ChargeCoupled Device)是一种以电荷量表示光量大小，用耦 合方式传输电荷量的新型器件。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、 寿命长、可靠性高等一系列优点。自1970年问世以来，发展迅速、应用广泛。CCD线列已用于光谱仪，将它置于光谱仪的光谱面，一次曝光就可获得整个光谱，并且易于与计算机连接。面阵CCD已用于电视摄像机和卫星遥感器。C

6、CD的工作过程是：当 CCD受到光照后，各个 CCD单元内贮存的电荷量与它的曝光 量成正比；若给它施加特定时序的脉冲，其内部单元存贮的信号电荷便能在CCD内作定向传输、实现自扫描，进而将由光照感生的电荷依次传送出去。WGD-6型光学多通道分析器数据采集部分的另一个作用是将线阵CCD输出的模拟电压信号转换成数字电压信号，并存储在外部RAM中。这样数据就成为计算机能够读取的有效数据了。计算机处理部分的功能是控制整个系统工作，将数据由外部RAM中读入、并保存在内我们需要耐心等待实验结部RAM并作分析、处理，最后计算出结果并根据要求显示和打印。因此对于计算机的使用 是本次实验的关键，实验之前必须把软件

7、的说明仔细阅读，同时对于计算机与光学多通道分析器的连接线路也应该仔细研究。最后考虑到数据量可能比较大，果并且尽量不干扰仪器获得的数字电压信号及原始数据。三、实验仪器光学多通道分析仪多道探测器显示屏Tr绘图仪徽机f蹴盘tH键盘1打印机圏L光学多通道检刪系绩的基本框圏图£參色仪圧光源部分的光路图四、实验步骤(1) 摆放好Hg灯，使光源聚集在多色仪的缝上，适当调节狭缝的宽度，但是必须使 缝宽在0.22mm的范围内，不可超过 2mm以免损坏仪器。(2) 打开CCD的电源，再打开计算机及计算机上相应的光学多道分析软件。考虑到 背景光线的影响，按下背景清除按键，清除原先记录的默认值，然后关闭汞灯

8、，按下背景记 忆。接下来计算机会将实际采集的谱线与背景相减，获取真实的谱线。(3) 设置中心波长为 500nm (中心波长的调整过程当中，应当缓慢调节，每次调节都应当在上一次调节生效之后)，按下“实时采集”按键，采集Hg的特征谱线。根据 Hg光谱的尖锐程度，适当调整光源和透镜的位置，以及狭缝的大小。(如果没看到谱线，只看到一些噪声信号，则要适当调整中心波长的设置，有可能谱线在电脑上你所看到范围之外)(4) 得到较尖锐的光谱后，点击工具栏下的“停止”，实时采集完毕。将转换开关打到观察窗，打开 CCD的遮光盖，观察衍射光谱。可以看到一道强绿光和两道黄光对照。Hg有435.84nm、546.07nm

9、、576.96nm和579.0nm四条特征谱线，由于在计算机上所能反映的 光谱带宽为150nm-200nm之间，中心波长为550nm。读取三条尖锐光谱的位置数组，做差，根据其差值比，及观察窗查看到的光线颜色，可以确定三条光谱为 546.07nm,576.96nm,579.07nm 这三条特征谱线。(5) 确定了特征谱线之后，利用这几条特征谱线进行定标，将横坐标的道数转化为波长显示。在实验过程中采用手动定标，在“数据处理”中选择“手动定标”，选定546.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，按“下一点”之后选定579.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，点击“定标”后选择线性定标后， 计算

10、机就根据Hg的特征谱线来完成定标， 将横坐标的道数显示转换成波长显示。(6)测量纳光的波长，将 Hg灯光源换为钠灯光源，采集同一波长范围内的待测钠光 的光谱，在完成实时采集之后， 对光谱图进行寻峰(采集钠光光谱所用的寄存器必须是汞光 谱定标所在的寄存器)。数据处理实验数据如下图所示选取恰当的中心波长后，观察窗查看到的光线颜色，确定三条光谱为通过读取三条尖锐光谱的位置数组，做差，根据其差值比，及546.07nm,576.96nm,579.07nm 这三条特征谱线。a專凰暑背最iff時tJGi_ 参数iftStSElTW) 1JI1jS勵twJ2工作存储S原碱据序号手动后退輕95S 133546,

11、07 579. 07定标设贤Inn方式I玻氏方衣忙鍋性定标广二决定怖广三;大定标广四泯定标数值：7IK.0存時器嫌&数据呈40430.00SQO.m520. QQ54D. DD360.00raQ 111 丨也丨口_1 GATZ LI !'»!匸二超二1I捷闭I+ u 耘2 + d 耘 +ygb =Id4T1. 8394171o ooso oBD+ 0000 D 山 C77050.000000, COOQO=1.0000Q10000a j> r - r 1<I所有看储黑jJ |鋅0因因因因因因因因 l*345A-7fl-9 卜za卜射WA臥射计車结果 定磁式

12、：且枫4Bao.m600.00620. 00弋开始E |碼辛脊'鲨 Cc4盼伽-eed4DE!E吨I,找定标，选取波长为 546.07nm和579.07nm的两个峰，得到定标公式111a專凰孕i©5i够a 电毎打印预盘 宜时i 叫 .n «_ 参数iSStSelTi®) 1呆光时间寻*if香宙口tJCiJi1J勵tw21riIQQDQJ0J忙rrJA1所有再储聽二JJ号|谨氏如)I馳_|1 5B0.932 509 553221.01956.0-幅式17穩嶂I检咎年6谀栓方式I弱Q.QQiui-|谯氏方式数值：3K1.01345£7fl-9 卜 恥

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14、因主要就是因为对实验仪器的了解不 够以及对实验细节的掌控不到位。 在实验开始就找不到观察窗， 甚至开始还以为观察窗是在 软件里调的，直到后来发现软件使用说明书里也找不到关于观察窗的只言片语，才发现观察窗属于硬件。还有就是噪声信号的影响，直接原因是狭缝的宽度以及狭缝与灯的位置没有把 握好，这个度也只能从实验中细细体味。最大的问题出现在最后一步对钠光灯波谱的寻峰过程当中，在前几次实验当中，虽然双线的波长也可以得到，但每次都不止两个波峰，会有其 他一些无用的波峰， 在假使我们不知道钠双线波长的情况下，也就是实验假定情况下， 我们是不能从中分辨出哪两个峰是我们需要的。后来发现，问题就出在背景记忆这里，因为我们每次用观察窗观看光谱时，为了看清楚一些，都会关掉一些灯，这样就使背景变暗，去除背景后（存的背景还是原来的背景记忆）就会对光谱产生一定的削弱， 定标的时候就会出现些问题，特别是背景记忆出现较大变动的地方可能会出现波峰，然后在对钠灯光谱的测定时产生影响。在实验的开始，在第一张数据图