使用光学多道测量光谱实验报告解读高等教育实验设计_高等教育-大学课件.pdf

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1、近代物理学实验报告 使用光学多道测量光谱 姓名：韦江波 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 引言 在现代光学多道检测系统中，以光导摄象管或扫光二极管列阵

2、作为多通道检测器，用微 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、操作 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、地质 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、紫外 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，使大家了解发光二极 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

3、波长测量定标，观测并记录钠灯光谱。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 G（光栅平面的方位可由精密机械调 节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：dsin k,k 0,1,2 式中 d是光栅常数，是入射光波长，k 是衍射级次，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 dsin=k可知，级次间距对应 dcos,/（d cos）当角度 较小的时，角度间隔?最小，当角度 增加时，角度间隔?增加。所以光谱排列并非

4、按角度 线性分 布。当角度 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。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

5、电道检测系统中以光导摄象管或扫光二极管列阵作为多通道检测器用微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操作方便速度快信息容量大而且光谱分辨率时分辨率和空分辨率都极高光谱分析是研散射光谱涉及的波段从射线紫外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使大家了解发光二极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了解电耦合器件的原理并掌握系统的工作原理与使用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

6、标。定标也是有误差的。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(Charge Coupled 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

7、于电视摄像机和卫星遥感器。CCD 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 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

8、使用 是本次实验的关键，实验之前必须把软件的说明仔细阅读，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，我们需要耐心等待实验结 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 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道检测系统中以光导摄象管或扫光二极管列阵作为多通道检测器用微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操作方便速度快信息

9、容量大而且光谱分辨率时分辨率和空分辨率都极高光谱分析是研散射光谱涉及的波段从射线紫外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使大家了解发光二极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了解电耦合器件的原理并掌握系统的工作原理与使用 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 0.2 2mm 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，按下背景记 忆。接下来计算机

10、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、576.96n

11、m 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

12、算机就根据 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）。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道检测系统中以光导摄象管或扫光二极管列阵作为多通道检测器用微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操作方便速

13、度快信息容量大而且光谱分辨率时分辨率和空分辨率都极高光谱分析是研散射光谱涉及的波段从射线紫外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使大家了解发光二极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了解电耦合器件的原理并掌握系统的工作原理与使用 数据处理 实验数据如下图所示 选取恰当的中心波长后，通过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，确定三条光谱为 546.07nm,576.96nm,579.07nm 这三条特征谱线。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

14、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道检测系统中以光导摄象管或扫光二极管列阵作为多通道检测器用微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操作方便速度快信息容量大而且光谱分辨率时分辨率和空分辨率都极高光谱分析是研散射光谱涉及的波段从射线紫外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使大家了解发光二极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了解电耦合器件的原理并掌握系统的工作原理与使用定标，选取波长为 546.07nm 和 579.07nm 的两个峰，得到定标公式 得到钠双线波长 588.9

15、3nm、589.55nm 与实际测量值 589.0nm、589.60nm 极为接近。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道检测系统中以光导摄象管或扫光二极管列阵作为多通道检测器用微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操作方便速度快信息容量大而且光谱分辨率时分辨率和空分辨率都极高光谱分析是研散射光谱涉及的波段从射线紫外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使大家了解发光二极管的主要光

16、学特性和光谱测量的基本方法实验方案一实验目的了解电耦合器件的原理并掌握系统的工作原理与使用实验总结 在实验过程中，可以说是碰上了许多问题，究其原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

17、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，在第一张数据图中可以看到有三个波峰，调节一下中心波长可以使 汞灯光的四个波峰一齐出现，最初我想定四个点总比两个准确，但经实践发现，定四个点后，得到的钠双线波长大概与实测值差了好几十

18、，后来又试了定三个点，仍发现偏离了几个纳米，百思不得其解。我想做实验就是带着问题去做实验，然后做完实验后出来依旧是带着问题，新的一个问题。参考文献【1】近代物理实验讲义。J浙江师范大学树立信息学院近代物理实验.2011-9【2】张天喆、董有尔，近代物理实验。J 科技出版社.2004-1 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道检测系统中以光导摄象管或扫光二极管列阵作为多通道检测器用微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操作方便速度快信息容量大而且光谱分辨率时分辨率和空分辨率都极高光谱分析是研散射光谱涉及的波段从射线紫外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使大家了解发光二极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了解电耦合器件的原理并掌握系统的工作原理与使用