大学物理实验光栅单色仪.pptx

光栅单色仪李晓文北京师范大学物理实验教学中心大纲单色仪的用途单色仪的用途光谱学发展史光谱学发展史单色仪的结构和原理单色仪的结构和原理闪耀光栅的工作原理闪耀光栅的工作原理单色仪的入射和出射狭缝单色仪的入射和出射狭缝单色仪的用途从复色光源中提取单色光从复色光源中提取单色光测量复色光源的光谱：测量复色光源的光谱：研究目的研究目的物质的辐射特性，光与物质的相物质的辐射特性，光与物质的相互作用，物质的结构（原子分子能级结构），互作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远星体的温度、质量、运动速度和方向。遥远星体的温度、质量、运动速度和方向。应用范围应用范围采矿、冶金、石油、燃化、机器采矿、冶金、石油、燃化、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理（卫星观测）等等。与空间物理（卫星观测）等等。光谱学发展史1 1、形成阶段：、形成阶段：16661666年牛顿在研究三棱镜时发年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。18141814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。（夫琅和费谱线）。2 2、研究室和应用阶段：、研究室和应用阶段：18601860年克希霍夫和本年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。们开始研究光栅光谱仪。光栅与棱镜相比棱镜的工作光谱区受到材料的限制（光的波长小于120nm，大于50m时不能用)光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率与波长有关。棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没有。优点缺点单色仪的结构和原理单色仪的结构和原理S1：入射狭缝 S2/S3：出射狭缝 M1：反射镜G：闪耀光栅 M2：准光镜 M3：物镜 PMT：光电倍增管 三部分三部分光源和照明系统、分光系统和接收系统光源和照明系统、分光系统和接收系统PMT单色仪的照明系统光源：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳 单色仪的接收系统光电倍增管光电倍增管的工作原理和使用注意事项光电倍增管的工作原理和使用注意事项利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。注意事项：（1）负高压350伏（光电倍增管加的电压为负高压），先开电源再开高压（关时一定要相反）。（2）一般在半小时后阳极电流达到稳定（暗电流）。（3）输入光信号不可过强，光阴极面不可直接暴露在光照下（特别是在加了电压的情况下，否则将烧毁光电倍增管）。（4）为了尽可能降低噪声在不使用光电倍增管的时候要挡住入射光。单色仪的分光系统单色仪的分光系统矩形光栅矩形光栅 入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：a为光栅透光部分的宽度，为光栅透光部分的宽度，N为光栅的总周期数为光栅的总周期数d为光栅的周期，为光栅的周期，为衍射角为衍射角单缝衍射因子单缝衍射因子 干涉因子干涉因子单色光的光栅光强分布的曲线透光缝宽透光缝宽:a=0.01mm光栅周期光栅周期:d=0.02mm光栅的总条数光栅的总条数:N=4透光缝宽透光缝宽:a=0.01mm光栅周期光栅周期:d=0.03mm光栅的总条数光栅的总条数:N=100光栅方程式d d为光栅周期，为光栅周期，为入射角，为入射角，为衍射角，为衍射角，m m为衍射为衍射级次，级次，为光的波长。为光的波长。描述各个干涉因子主极大的位置描述各个干涉因子主极大的位置光栅的色散原理分辨本领光栅的色散原理分辨本领谱线的半角宽度谱线的半角宽度光栅的角色散本领光栅的角色散本领光栅的光谱分辨本领光栅的光谱分辨本领理论分辨本领计算实例：理论分辨本领计算实例：m=1,N=64mm 1200/mm=76800闪耀光栅的原理闪耀光栅的原理-nN bn为刻槽面法线方向为刻槽面法线方向N为光栅面法线方向为光栅面法线方向 为光线的入射角为光线的入射角 为光线的衍射角为光线的衍射角 b 光栅的闪耀角光栅的闪耀角-b 角度的符号规定（顺角度的符号规定（顺时针为正）时针为正）入射角与闪耀波长的关系入射角与闪耀波长的关系几何光学的方向能量最大：几何光学的方向能量最大：m=1一级闪耀波长为5o，10 o,30o 587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm光强曲线光强曲线单色仪狭缝宽度的讨论1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源）。2、设狭缝为无限细，由衍射理论可知谱线的半宽度为：3、当狭缝a逐渐变宽时的变化如下图所示：a/anw0狭缝的最佳宽度狭缝的最佳宽度狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系由上图可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出由上图可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取射狭缝上得到光强太小，取a=an最好。最好。a/anRI1单色仪实际分辨率的测量波峰波的半高宽度分辨率滤色片滤色片是一种滤光器件，投射到滤色片上的光波有的被吸收，有的透过，有的被反射。滤色片对某一波长的光的相对透射率定义为：。滤色片的透射率曲线，即 曲线，是滤色片对某一波长的相对透射率与波长对应的曲线。实验内容测量绿、红、蓝、黄、品和青色滤光片的透过率曲线。确定绿色滤光片的峰值、峰值波长及半高宽。确定红、蓝、黄、品和青色滤光片的截止波长（通带第一个峰值的40%强度处所对应波长）。根据蓝、黄、品和青色滤光片的光谱特性，选用两种颜色滤波片的组合分别设计512nm和536nm窄带滤波片（峰值尽量窄和高），并测量透过率曲线。数据处理根据所记录的实验数据，用Excel 或者Origin 画出实验曲线（汞灯谱线要标出相对应的波长，各种滤光片的透过率曲线都画在同一幅图内，并用颜色和线型区分）。描述各滤光片的特性。讨论两个重叠滤色片的透过率与它们各自透过率的关系。注意事项注意仪器安全，装上光电倍增管后需要等待5 分钟，方可加高压工作，实验过程中严禁取下倍增管。切勿在加有高压的状态下取出光电倍增管，否则极易损坏探测器。汞灯和溴钨灯使用时需要预热几分钟，使之达到正常工作状态。汞灯熄灭后，必须等其完全冷却后才能重新启动。实验结束后须先将光电倍增管高压降至0V，然后关掉电源开关。