光栅光谱仪试验讲义

1、光栅光谱仪实验浙江大学光电信息工程实验中心实验目的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;实验仪器1、 低压汞灯及电源：发光波长404.7nm、435.8nm、546.1 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；三实验原理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

2、器作光源，可产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，那么在透镜焦平面上得到光栅的夫琅和弗衍射图象，见图一。如果光源是平行于光栅刻痕的狭缝光源发出的准单色光，那么衍射把戏是一些分立的亮线亮条纹缝平面G 透镜L观翠屏图一光栅衍射图亮纹位置满足如下条件光栅方程式 孵二丸d si n i sin m m ,式中，d为光栅常数，d=a+b，在可见光范围内，_ 亠2m 0, 1,? 1d 一般在1/10001/50

3、0mm 之间。 m为第m级亮纹对应的衍射角，入为入射光波长，i为入射平行光对光栅面的入射角，m为多缝干预主极大级数。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 光栅衍射是单缝衍射和多缝干预的总效果。P点的光强，亮纹主极大中心位置满足光栅方程中其他亮纹主极大中心位置：满足多缝干预的光栅方程：m = 0,6=0时，dsin 6=0为中央明纹中心。d sin 谢m -土m*m- 0,1,2(2)不满足单缝衍射暗纹条件：a sin 1mm ,mJ 1,2,3(3)m为单缝

4、衍射暗纹级数。2、3 式要同时满足，才会出现主极大暗条纹位置：d sin 亂 J 一(2 m 1) ,m -0,1, 22(4)a sin m 二 土m 飞m 1, 2,3(5)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 md-：md角色散ed cos弧度/埃a；当小时，dd。d-d fd线色散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Sm，并光栅常数d和入射角i，那么可求得

5、该义:光波波长。同时，如果测得各色光第m级亮线的衍射角6，那么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 .光栅的色分辩本领光栅的色分辩本领用波长入附近能被分辩的最小波长差 的比值来表示，即:二 mN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,所以光栅一 / m可以看出， 光栅的色分辩本领正比于刻痕数N和级次m，但自由光谱范围反比干预级次使用时应根据需要合理地选择参数。四. 实验装置光栅光谱实验装置如图二所示，光源发出的光经透镜 A会聚到狭缝上， 狭缝放置在透镜B的前焦面上，出来的

6、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。 An ：I|U i 1光源Lens A狭缝Lens B光栅摄像头图二光栅光谱实验装置五. 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路，放置透镜A 焦距=45mm ，使得光源发出的光会聚到狭缝面上，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

7、.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 .调节光栅的位置，观察反射光使其与狭缝重合。6.启动计算机，运行计算机桌面上的软件TopSpeed amcap.exe采集光谱图像。主要操作步骤如下：1 调整软件设定选项/格式/输出大小，使采集光谱图像的分辨率800 X 600或1024 X 768 ;颜色空间压缩选用 YUY2、频率30Hz。2 调整曝光量选项 /属性/相机/曝光和亮度选项/属性/颜色/亮度，同时调节摄像头与光栅的位置，使得光谱图像显示效果最正确。光栅光谱图像如图三所示。图三光栅光谱图像3 按计算机 PrtSc Sys Req按键，用

8、附件中的画图软件或图像处理软件保存光谱图像文件选用 JPG 格式，保存至桌面 /光谱/testimage目录下。4改变狭缝的大小，记录相应的光谱图像。5 改变光源，观察节能灯、LED的光谱，并记录相应的光谱图像。六. 实验数据处理1. 运行桌面/光谱/pic1软件，读入光谱图像，移动Y方向滑块至适当位置即可得到光谱曲线。2. 系统波长进行校正：利用汞灯的五根谱线的波长值标准值为 404.7nm、435.8nm、546.1 nm、577.0nm、579.0nm 来进行测量系统的波长校准。3. 根据波长校正后的测量系统，测量节能灯和LED的光谱峰值波长、光谱范围七. 讨论和思考1 .能否用实验测量值计算衍射一级亮纹的角色散，分辩本领，如何计算?2. 影响系统光谱分辨力的参数有那些？3. 提出你对实验系统的改良建议。考前须知1 .在动