大学物理实验光栅单色仪.ppt

•大学物理实验光栅单色仪大纲单色色仪的用途的用途光光谱学学发展史展史单色色仪的的结构和原理构和原理闪耀光耀光栅的工作原理的工作原理单色色仪的入射和出射狭的入射和出射狭缝单色仪的用途•从复色光源中提取从复色光源中提取单色光色光•测量复色光源的光量复色光源的光谱：： 研究目的研究目的—物物质的的辐射特性，光与物射特性，光与物质的相的相互作用，物互作用，物质的的结构（原子分子能构（原子分子能级结构），构），遥遥远星体的温度、星体的温度、质量、运量、运动速度和方向速度和方向 应用范用范围—采采矿、冶金、石油、燃化、机器、冶金、石油、燃化、机器制造、制造、纺织、、农业、食品、生物、医学、天体、食品、生物、医学、天体与空与空间物理（物理（卫星星观测）等等光谱学发展史•1、形成、形成阶段：段：1666年牛年牛顿在研究三棱在研究三棱镜时发现将太阳光通将太阳光通过三棱三棱镜太阳光分解太阳光分解为七色光1814年夫琅和年夫琅和费设计了包括狭了包括狭缝、棱、棱镜和和视窗窗的光学系的光学系统并并发现了太阳光了太阳光谱中的吸收中的吸收谱线（夫琅和（夫琅和费谱线）•2、研究室和、研究室和应用用阶段：段：1860年克希霍夫和本年克希霍夫和本生生为研究金属光研究金属光谱设计成成较完善的完善的现代光代光谱仪—光光谱学学诞生。

由于棱生由于棱镜光光谱是非是非线性的，人性的，人们开始研究光开始研究光栅光光谱仪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50m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单色色仪的的结构和原理构和原理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—光源和照明系光源和照明系统、分光系、分光系统和接收系和接收系统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光光电倍增管的工作原理和使用注意事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单色色仪的分光系的分光系统—矩形光矩形光栅 入射光垂直矩形光入射光垂直矩形光栅时衍射光衍射光强的分布公式：的分布公式： a为光光栅透光部分的透光部分的宽度，度，N为光光栅的的总周期数周期数d为光光栅的周期，的周期， 为衍射角衍射角单缝衍射因子衍射因子 干涉因子干涉因子单色光的光栅光强分布的曲线透光透光缝宽光光栅周期周期光光栅的的总条数条数:N=4透光透光缝宽光光栅周期周期光光栅的的总条数条数:N=100光栅方程式d为光光栅周期，周期， 为入射角，入射角， 为衍射角，衍射角，m为衍衍射射级次，次， 为光的波光的波长。

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光光栅的色散原理分辨本的色散原理分辨本领谱线的半角的半角宽度度光光栅的角色散本的角色散本领光光栅的光的光谱分辨本分辨本领理理论分辨本分辨本领计算算实例：例：m=1, N=64mm  1200/mm=76800闪耀光耀光栅的原理的原理- nN bn为刻槽面法刻槽面法线方向方向N为光光栅面法面法线方向方向 为光光线的入射角的入射角 为光光线的衍射角的衍射角  b 光光栅的的闪耀角耀角- b 角度的符号角度的符号规定（定（顺时针为正）正）入射角与入射角与闪耀波耀波长的关系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， ， 606.3 (nm)d=1/1200mm光光强曲曲线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狭狭缝的最佳的最佳宽度度狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系由上由上图可可见缝宽过大大时实际分辨率下降，分辨率下降，缝宽过小小时出出射狭射狭缝上得到光上得到光强太小，取太小，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。