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光栅光谱仪的使用 学 号 22 学生姓名 张家梁 专业名称 应用物理学（通信基础科学）所在系（院）理学院 2017 年 3 月 14 日 光栅光谱仪的使用 张家梁 1 实验目的 1.了解光栅光谱仪的工作原理。2.学会使用光栅光谱仪。2 实验原理 1.光栅光谱仪 光栅光谱仪结构如图所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和 终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和 CCCD 等多种，经过光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和 CCD 来接收出射光。2.光探测器 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极(又称“倍增极”)阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于 1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理单元。对光敏感的 CCD 常用作图象传感和光学测量。由于 CCD 能同时探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。3.闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（=90）光栅衍射的一般特性。当入射角=90时，衍射强度公式为 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定，只不过此时 用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角取号，异侧时取号。单缝衍射中央主极大的条件是 u=0，即 sin=-sin 或=。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足 v 0，即 0 级干涉 大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射 0 级 大位置是重合的（图），光栅衍射强度 大的峰是个波长均不发生散射的 0 级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。为了提高信噪比，可以采用锯齿型的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时，两者 0 级极大的角度也一样。闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝，衍射条件与齿面法线有关。，中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法线 N，于是造成衍射极大与 0 级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数，可以使光栅衍射的某一波长 强峰发生在 1 级或其它高级干涉极大的位置。图是平面光栅和闪耀光栅衍射各级谱线强度示意图。闪耀光栅是许多光栅光谱仪中采用的色散器件。3 实验步骤 用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这1.粗调狭缝宽度。不打开光谱仪控制箱电源，取下入射狭缝前的光源，调节入射狭缝的缝宽，直接观察狭缝宽度的改变。先顺时针调节，观察狭缝宽度逐渐增大，然后减小狭缝宽度至狭缝刚好完全关闭。后，调节缝宽至约。同样，调节出射狭缝至。注意，出射狭缝后挂接着光电倍增管，光电倍增管只能接收微弱光强，不可在室内照明强度下使用，因此实验过程中不可取下光电倍增管。2.寻找狭缝的零点误差。狭缝宽度由微分头调节，存在零点误差，我们可通过实际现象来判断。打开光谱仪电源控制箱和计算机，启动光谱仪软件。将溴钨灯安装到入射狭缝处（灯的前端接口与狭缝是配套的，可直接挂上），打开溴钨灯电源，调节电流至 大。调节负高压至 300V，设在软件“参数设置”中选择工作模式为“能量”，间隔，工作范围（即起始波长和终止波长）为 200-660nm，采集次数为 25，其它参数不变。点击菜单“定点”按钮，弹出的对话框中设置波长（500nm）和扫描时间（60s），设置后仪器将自动扫描至 500nm 处连续测量光强，60 秒后停止。在扫描过程中，分别调节入射和出射狭缝，可即时看到出射光强的变化。保持出射狭缝 不变，减小入射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变，光强一般至少小到 10 以下），此临界位置即为入射狭缝的零点。同样，调节入射狭缝至 并保持不变，逐渐减小出射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变），此临界位置即为出射狭缝的零点。记录零点误差。3.用钠灯双黄线校正光谱仪。点亮钠灯，使其对准入射狭缝，调节入射狭缝为，出射狭缝为，工作范围 580-600nm，间隔，负高压约 300V，选择寄存器 1）。点击“单程”开始扫描，扫描结束后，如果谱线的最大值小于 200 或者大于 950，则适当增大或减小负高压（以后所有的谱线都要满足这个条件，不再赘述），再次扫描。得到合适的谱线后，用软件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线，并与理论值比较，如果误差超过 1nm，则用软件的修正功能予以修正。4.量高压汞灯光谱（入射狭缝为，出射狭缝为，200-630nm，间隔，负高压与钠灯相当，选择寄存器 2），寻峰，记录波长和相对光强。与理论值比较，作标准值测量值曲线图，并得出光谱仪的波长修正公式；5.测量氢（或者氢氘）原子光谱。氢灯灯管很细，注意尽量对准狭缝，负高压预设 600V，如没有谱线，应左右移动氢灯使其对准狭缝再测（分三段测量，650-660nm，480-500nm，380-440nm，间隔，分别选择寄存器 3、4、5），寻峰，记录波长和相对光强，由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数，并与理论值比较；用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这 4 实验结果数据 1.出射狭缝的零点：2.入射狭缝的零点：3.钠光灯校正光谱仪的波长：4.高压汞灯光谱：校正前 校正后 用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这 寻峰所得数据：5.氢原子光谱：380nm-440nm：用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这 480nm-500nm：用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这 650nm-660nm：用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这6.溴钨灯滤色片透过率曲线：5 数据处理 用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这1.用汞光灯谱数据，作散点图，拟合并得到曲线公式 2.作滤色片的透过率曲线 6 实验总结 本次实验作为这学期的第一次实验，难度算一般，唯一的缺点在于本次实验比较费时间，而用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这且反复性较强，一次成功比较难，故需要有一定耐心。这次实验学习使用了光栅光谱仪并且对光谱有了一定的了解，并且了解了光栅光谱仪的原理，在数据处理上 origin lab的使用还不够熟练，需要探索并做到使用流畅，总之本次实验比较顺利。7 参考文献 1 杨胡江、肖井华、尚玉峰、程洪艳 近代物理实验讲义 M P6064 北京邮电大学理学院物理实验中心 2 多功能光栅光谱仪(单色仪):3 光栅光谱仪的定标:杨晓冬，李正灯，李惠玲，周杰，钟远聪 光栅光谱仪入射与出射狭缝宽度对测量谱线线宽影响研究 嘉应学院学报,2008,26(6):38-41 用张家梁实验目的了解光栅光谱仪的工作原理学会使用光栅光谱仪实验原理光栅光谱仪光栅光谱仪结构如图所示光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上因此入射狭缝的光经过球面镜后成终聚焦到出射狭缝处光线的波长控制入射光源的波长范围确保衍射光无级次重叠可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长光谱仪的光探测器可以有光电管光电倍增管硅光电管热释电器件和等多种经过光栅衍射后到达出射狭缝的测器它由光阴极电子光学输入系统倍增系统及阳极组成并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极打拿极又称倍增极阳极之间建立一个电位分布光辐射照射到阴极时由于光电效应阴极发射电子把微弱的光输入转换成光电子这