光辐射测量原理与技术——单色仪和摄谱仪
大学物理实验---单色仪的定标和光谱测量.docx
实验题目：单色仪的定标和光谱测量实验目的：了解光栅单色仪的原理，结构和使用方法，通过测量钨灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。
实验原理：一.光栅单色仪的结构和原理如下图所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。
单色仪的光源有：火焰、电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。
如下图所视，当入射光与光栅面的法线N的方向的夹角为©（见图）时，光栅的闪耀角为a取一级衍射项时，对于入射角为©而衍射角为e时，光栅方程式为：d(sin H sin 0)=入式中N 为光栅的总线数，在本实验中 N 为64 *200=76800, m 为所用的光的衍射级次，本实验中m 二雹实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响， 加上光源的谱线由于各种效应而发生增 宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值， 因此光谱仪的实际分辨本领远远小于 76800。
实验数据及数据处理：（数据以文本文档中为准）■ ■ » 11、 光栅单色仪的定标 ----- 钠灯光谱与标准值之间误差：？？= --------------- =0.00%入Nd cos=d 9 = m d 入 d cos 9R= d x =mNFigure 1钠灯光谱主线系峰值数据： 1、589.0002、589.625实验报告589 .0BY 王有识页3实验报告?? =0.004%-|589 .625-589 .6|Figure 2钠灯光谱锐线系峰值数据： 1 、615.413 2 、616.050 与标准值之间误差：？？=--------------- =0.002%1615 413-615 .4|?? —6154---------- =0.008%1616.050-616 ,0|2 = 616.0Figure 3钠灯光谱漫线系1页4 BY王有识?? = ------------------ =0.006%1497.812-497 .78|?? 49778 =0.01%|498 .250-498 .2| 2=498.22、 低压汞灯光谱测量峰值数据：1、568.250 、568.825与标准值之间误差:??= =0.009%1568 .250-568 .3|与标准值之间误差:??568・3 ------ =0.006% |568 .7-568 .86|22=568 .86Figure 4钠灯光谱漫线系2峰值数据：1、497.812 2 、498.250实验报告Figure 5低压汞灯黄光强峰值数据：1、576.925 2 、579.050与标准值之间误差：??= =0.006%1576 .925-576 .96|?? 576・96------- =0.003%|579 .050-579 ,07|2二579.07Figure 6低压汞灯蓝绿光强峰值数据：1、491.637 与标准值之间误差：？？二 ------------- =0.008%|491 .637-491 .60|峰值数据： 1 、585.925ure 7低压汞灯2黄光589.000与标准值之间误差：??==0.0009%1585 .925-585 .92| ?? —585.92 =0.003%1589 .000 -589 .021本组实验由于测蓝绿光的弱光谱，而实验环境中并不是完全黑暗,难免会有光对实验产生干扰， 所以实验所得的图像很不理想， 但是还 是可以分辨出波峰。
单色仪简介和比较
单色仪简介和比较1666年，牛顿在研究三棱镜时发现，太阳光在通过三棱镜后被分解成了七色光。
1814年，夫琅禾费设计了一套包括棱镜、狭缝和视窗的光学系统并观察了太阳光谱中的吸收谱线。
1860年，克希霍夫和本生为研究金属光谱而设计了较完善的现代光谱仪——这标志着光谱学的诞生。
如今光谱分析已经是研究物理光学的主要分析手段，在科研和生产等方面发挥着极大的作用。
在光谱分析中，无论是对荧光光谱，还是穿透吸收光谱，亦或是拉曼光谱的研究，获得单色光都是不可缺少的手段。
其方法有很多，如单色光源、颜色玻璃和干涉滤光片。
除此之外，单色仪也是一种常见的获得单色光的方法。
单色仪一般通过色散、衍射等方法，将紫外、可见和红外的光谱区里的复合光分解成不同波长的单色光。
按照不同的分类标准，单色仪可以分为很多种。
常用的分类是：光栅单色仪和棱镜单色仪两种。
光栅单色仪按光束入射方式可分为正入射、掠入射和投射单色仪；按光学系统分布可分为罗兰圆和非罗兰圆两种；按衍射光栅面型可分为平面、球面和环面单色仪三种。
一、单色仪的分类简介1、棱镜单色仪棱镜单色仪是晶体单色仪的一种，此类单色仪以晶体作为分光元件。
用作同步辐射X射线波段的分光系统，由于晶体单色仪的衍射面是晶格面，所以对真空环境的要求可以比较低（10-1Pa）。
普通的棱镜单色仪通常由三部分组成，准光镜系统、色散系统和成谱系统。
如上图所示。
①准光镜系统：它是由准直光物镜L1和放在L1焦平面上的狭缝S组成；②色散系统，它是由棱镜P等组成；③成谱系统，它是由物镜L2和其焦平面上的像屏组成。
成谱系统形式的不同，仪器的名称就不同。
若采用的是望远镜来观察光谱，则叫做“棱镜分光镜”；若采用物镜和感光板进行摄谱，则叫做“棱镜摄谱仪”；若用狭缝来分离谱线，就叫做“单色仪”。
棱镜单色仪原理是复色光从狭缝进入，准光镜系统能够将其转变成平行光，然后入射棱镜。
色散系统将来自准光系统的平行光均匀而广泛地照射在棱镜P的折射面A上，经过棱镜的折射后，复平行光就分解成沿不同方向传播的单色光。
实验室常用光谱仪及其它们各自的原理
实验室常用光谱仪及其它们各自的原理光谱仪，又称分光仪。
以光电倍增管等光探测器在不同波长位置，测量谱线强度的装置。
其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。
以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。
分为单色仪和多色仪两种。
下面就介绍几种实验室常用的光谱仪的工作原理，它们分别是：荧光直读光谱仪、红外光谱仪、直读光谱仪、成像光谱仪。
荧光直读光谱仪的原理：当能量高于原子内层电子结合能的高能X射线与原子发生碰撞时,驱逐一个内层电子而出现一个空穴,使整个原子体系处于不稳定的激发态,激发态原子寿命约为(10)-12-(10)-14s,然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态.这个过程称为发射过程.发射过程既可以是非辐射跃迁,也可以是辐射跃迁.当较外层的电子跃迁到空穴时,所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子,此称为俄歇效应,亦称次级光电效应或无辐射效应,所逐出的次级光电子称为俄歇电子.它的能量是特征的,与入射辐射的能量无关.当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收,而是以辐射形式放出,便产生X 射线荧光,其能量等于两能级之间的能量差.因此,X射线荧光的能量或波长是特征性的,与元素有一一对应的关系.K层电子被逐出后,其空穴可以被外层中任一电子所填充,ad4yjmk从而可产生一系列的谱线,称为K系谱线:由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Kα射线,由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kβ射线同样,L层电子被逐出可以产生L系辐射.如果入射的X 射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层,此时就有能量ΔE释放出来,且ΔE=EK-EL,这个能量是以X射线形式释放,产生的就是Kα 射线,同样还可以产生Kβ射线,L系射线等.莫斯莱(H.G.Moseley) 发现,荧光X射线的波长λ与元素的原子序数Z有关,其数学关系如下:λ=K(Z-s)-2 这就是莫斯莱定律,式中K和S是常数,因此,只要测出荧光X射线的波长,就可以知道元素的种类,这就是荧光X射线定性分析的基础.此外,荧光X射线的强度与相应元素的含量有一定的关系,据此,可以进行元素定量分析.红外光谱仪的原理：红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。
光谱仪器原理
Spectrographys are optical instruments that form images S2(λ) of the entrance slit S1;the images are laterally separated for different wavelengths λof the incident radiation.Ω=F/f12受棱镜的有效面积F=h.a的限制，它代表光的限制孔径．的方式成像到入射狭缝上是有利的，虽然会聚透镜可以缩小光源在入射狭经上所成的像，使更多的来自扩展光源的辐射功率通过入射狭缝：但是发散度增大了．在接收角外的辐射不能被探测到，反而增大了由透镜支架和分光计任何色散型仪器的光谱分辨本领的定义为和λ2间的最小间隔．-λ2)在二个最大间显示出明显的凹陷，则可以认为强度分布是由具有强度轮廓为I1(λ-λ1)和I21(λ-λ2)的二条)依赖于比率I1/I2和二个分量的轮廓，因此最小对于不同的轮廓将是不相同．2的第一最小重合，则认为两条谱线如果强度相等的两条线的两个最大间的凹陷降到I的(8／π2)≈0.8，(a)Diffraction in a spectrometer by the limiting aperture with diameter af1f2:angular dispersion[rad/nm]成像在平面B上)间的距离△x2为=(dx/dλ)△λ:linear dispersion of the instrument,[mm/nm]为了分辨λ和λ+△λ的二条线，上式中的间距△x2至少应为二个狭缝象的宽度(λ)+δx2(λ+△λ),由于宽度x2由下式与入射狭缝宽度相联系：δx2=(f2/f1) δx1所以减小δx1便能增大分辨本领λ/△λ，可惜存在着由衍射造成的理论极限．由于分辨极限十分重要．我们将对这点作更详细的讨论．(b)Limitation of spectral resolution by diffraction=±λ/b间(见图)；仅当2 δΦ小于分光计的接收角a/f1时，它才能完全通过限制孔径a．这给出入射狭缝有效宽度bmin的下限为在一切实际情形中，入射光都是发散的．这就要求发散角和衍射角之和必须小于，而最小狭缝相应地更大。
单色仪
单色仪的定标及应用单色仪是一种常用的分光仪器，利用色散元件把复色光分解为准单色光，能输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光，可用于各种光谱分析和光谱特性的研究，如测量介质的光谱透射率曲线、光源的光谱能量分布、光电探测器的光谱响应等，应用相当广泛。
【实验目的】1．了解棱镜单色仪的构造、原理和使用方法；2．以汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区进行定标；3．掌握用单色仪测定滤光片中心波长的方法。
4. 学会测量发光二极管的波长。
【实验仪器】小型光栅单色仪，汞灯，卤素灯，显微镜，滤光片，会聚透镜，透镜夹发光二极管【实验原理】单色仪是一种分光仪器，它通过色散元件的分光作用，把复色光分解成它的单色组成。
根据采用色散元件的不同，可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类，其应用的光谱区很广，从紫外、可见、近红外一直到远红外。
对不同的光谱区域，一般需换用不同的棱镜或光栅。
平面光栅单色仪的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦面上。
光经过M1平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到M1，经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上。
由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。
当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。
这种光学系统称为李特洛式光学系统，见图1所示。
图1光学系统图一般光源所辐射的光往往是由各种波长的光组成。
如果各种波长是连续变化的，那么这类光源称为连续光源。
由于光源的光谱分布与光的物质特性有关，因此测定光源的光谱分布是研究物质内部微观结构的重要工具之一。
单色仪的基本特性是其单色性和出射单色光的强度，实验中，一般总是希望出射的单色光的光谱宽度尽量窄（即单色性尽量好）和单色光的强度尽量高。
除了平面光栅的色散率的大小外，单色仪出射光的光谱宽度的宽窄主要由缝宽，衍射和像差等因素决定，其中像差在设计调整时已尽量减小。
在正常情况下，对单色仪来说，主要是解决缝宽和色差问题。
实验03 单色仪
实验3 单色仪单色仪是通常使用的基本光谱仪器。
WDP500---C 型光栅单色仪是用(几块)光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以把紫外、可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光。
如配备电子束激发器，X 射线激光器，光子激发器和高频等离子、辉光放电等稳定光源相配套，可以进行光谱化学分析，如原子吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱、激光光谱的定性及定量分析。
同时还可以进行物理量的测量,如测定接收元件的灵敏特性、滤光片吸收特性及光源的能谱分析、光栅的集光效率等。
介质对光的吸收、透射和反射通常与入射光的波长有关，介质的这种特性称为介质的光谱特性。
测量介质的光谱特性是光学测量及材料研究等方面的重要内容。
一．实验目的和教学要求1. 了解单色仪的构造原理并掌握其使用。
2. 加深对介质光谱特性的了解。
掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
二．实验原理当一束光入射到有一定厚度的介质平板上时，有一部分光被反射，另一部分光被介质吸收，剩下的光从介质板透射出来。
设有一束波长为λ，入射光强为0I 的单色平行光垂直入射到一块厚度为d 的介质平板上，如图1所示。
如果从界面1射回的反射光的光强为R I ，从界面1向介质内透射的光的光强为1I ，入射到界面2的光的光强为2I ，从界面2出射的透射光的光强为T I ，则定义介质板的光谱外透射率T 和介质的光谱透射率i T 分别为0I I T (1) 12I I T i = (2) d图1 一束光入射到平板上这里的R I ,1I ,2I 和T I 都应该是光在界面1和界面2上以及介质中多次反射和透射的总效果。
通常，介质对光的反射，折射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。
这里为简单起见，对以上及以后的各个与波长有关的量都忽略波长标记，但都应将它们理解为光谱量。
光谱透射率i T 与波长λ的关系曲线称为透射曲线。
在介质内部（假定介质内部无散射），光谱透射率i T 与介质厚度d 有如下关系：iT =d e α- (3)式中，α称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。
光谱仪,光谱响应,辐射量,辐照度,辐射亮度,辐射率,光栅,辐射计
光谱仪简介光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，。
阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。
通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。
这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。
将复色光分离成光谱的光学仪器。
光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。
按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。
按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。
单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。
图片图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。
狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。
用光源照明狭缝S，S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。
棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。
普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。
目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计，可以具有较宽的光谱范围。
表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。
基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。
单色仪科技名词定义中文名称：单色仪英文名称：monochromator定义：从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
所属学科：机械工程(一级学科) ；光学仪器(二级学科) ；物理光学仪器(三级学科)本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布monochromator光谱仪器中产生单色光的部件。
单色仪的定标和光谱测量
光栅单色仪的定标和光谱测量实验实验目的：（1）：了解光栅单色仪的结构以及工作原理并熟练掌握其使用方法；（2）：掌握调节光路准直的基本方法和技巧，利用钠灯等标准光源对单色仪进行定标；（3）：测量红宝石、稀土化合物的吸收和发射光谱，加深对物质发光光谱特性的了解。
（4）：测量滤波片和溶液的吸收曲线，掌握测量其吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
实验简介单色仪（monochromator）是指从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
按照色散元件的不同可分为两大类：以棱镜为色散元件的棱镜单色仪和以光栅为色散元件的光栅单色仪。
单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜时被分解成七色光的彩色光光谱，牛顿首先将此分解现象称为色散。
1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并研究发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。
棱镜的色散起源于棱镜材料折射率对波长的依赖关系，对多数材料而言，折射率随着波长的缩短而增加（正常色散），及波长越短的光，在介质中传播速度越慢。
1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计完成较完善的现代光谱仪—这标志着现代光谱学的诞生。
由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。
光栅光谱仪是利用衍射作为光学元件用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，光栅光谱仪具有比棱镜单色仪更高的分辨率和色散率。
衍射光栅的可以工作于从数十埃到数百微米的整个光学波段，比色散棱镜的工作波长范围宽。
此外在一定范围内，光栅产生的是均排光谱，比棱镜光谱的线性要好的多。
它也可以从复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中提取单色光，即通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。
因此可以进行复合光源的光谱质量分析。
实验原理光栅光谱仪是利用衍射作为色散元件，因此光栅作为分光器件就成为决定光栅光谱仪的性能的主要因素。
1、衍射光栅：现代衍射光栅的种类非常多，按照工作方式分为反射光栅和透射光栅；按照表面形状可分为平面光栅和球面光栅；按照制造方法可分为刻划光栅、复制光栅和全息光栅；按照刻划形状可分为普通光栅、闪耀光栅和阶梯光栅等。
单色仪的定标和光谱测量
思考题
① ② ③ ④
说明钨灯、钠灯和汞灯的光谱的区别和道理？ 如何求出入射狭缝的最佳宽度？ 单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何 测量和计算？ 比较单色仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两 者差别大的原因？
⑤
解释光电倍增管的工作原理，为什么随着副高 压的绝对值越大，采集的灵敏度会显著提高？
单色仪的用途
从复色光源中提取单色光 测量复色光源的光谱： 研究目的—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），遥远星体的温度、 质量、运动速度和方向。 应用范围—采矿、冶金、石油、燃化、机器制造、纺 织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理（卫 星观测）等等。 。
光谱学发展史简介
单色仪的分光系统— 单色仪的分光系统—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：
sin α 2 sin N 2 β Iθ = I0( )( ) sin β α
π π α = asinθ β = dsinθ λ λ
a为光栅透光部分的宽度，N为光栅的总周期数 为光栅透光部分的宽度， 为光栅的总周期数 为光栅透光部分的宽度 d为光栅的周期，θ为衍射角 为光栅的周期， 为光栅的周期
λ R = =m N dλ
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
n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 N
ϕ为光线的入射角 θ为光线的衍射角 θb 光栅的闪耀角
ϕ
角度的符号规定（ 角度的符号规定（顺 时针为正） 时针为正）
光栅与棱镜相比
光谱仪、单色仪、摄谱仪、分光光度计的区别
光谱仪简单说来就是通过光栅等分光器件，将光线按不同波长进行分离，形成按波长划分的光线能量分布。
光谱仪用于纯光学特性分析，只需要测量和输出被测源的相对光谱能量分布。
单色仪和光谱仪其实是一样的，只是根据使用目的不同而有不同的名称。
摄谱仪只是在光谱基础上加上了感光底片，便于实时获得光谱图像，在现在电脑普及的情况下，图像已经不需要实时打印出来，摄谱仪不具有应用前景，但在地质勘探等领域仍有很大市场。
分光光度计是能从含有各种波长的混合光中，将每一种不连续的单色光分离出来，用作采样反射物体或透射物体，并测量其强度的仪器。
由于不同物体分子的结构不同，对不同波长光线的吸收能力也不同，因此，每种物体都具有特定的吸收光谱。
可见，分光光度计实际上是包含光谱仪的系统，是光谱分析的应用，需要测量显示被测源光谱光度参数的绝对值。
另外，分光光度计是对不同波长的光线进行扫描，速度比光谱仪要慢很多。
这几种仪器其实原理基本相同，只是面向不同的使用范围而已。
第四章 光谱分析技术及相关仪器习题参考答案
第四章光谱分析技术及相关仪器习题参考答案一、名词解释1．激发光谱：将激发光的光源用单色器分光，连续改变激发光波长，固定荧光发射波长，测定不同波长的激发光照射下，物质溶液发射的荧光强度的变化，以激发光波长为横坐标，荧光强度为纵坐标作图，即可得到荧光物质的激发光谱。
从激发光谱图上可找出发生荧光强度最强的激发波长λex。
2．荧光光谱：选择λex作激发光源，并固定强度，而让物质发射的荧光通过单色器分光，测定不同波长的荧光强度。
以荧光波长作横坐标，荧光强度为纵坐标作图，便得荧光光谱。
荧光光谱中荧光强度最强的波长为λem 。
荧光物质的最大激发波长（λex）和最大荧光波长（λem）是鉴定物质的根据，也是定量测定中所选用的最灵敏的波长。
3．光谱分析：对物质发射辐射能的能谱分析或对辐射能与物质相互作用引起的能谱改变的分析均称为光谱分析。
4．吸收光谱：光照射到物质时，一部分光会被物质吸收。
在连续光谱中某些波长的光被物质吸收后产生的光谱被称作吸收光谱。
每一种物质都有其特定的吸收光谱，因此可根据物质的吸收光谱来分析物质的结构和含量。
5．发射光谱：一部分物质分子或原子吸收了外来的能量后，可以发生分子或原子间的能级跃迁，所产生的光谱称为发射光谱，包括线状光谱、带状光谱及连续光谱。
通过测定物质发射光谱可以分析物质的结构和含量。
6．摩尔吸光系数（ε）：摩尔吸光系数表示在一定波长下测得的液层厚度为1cm, 溶液浓度c为1mol/L时的稀溶液吸光度值。
吸光系数与入射光波长、溶液温度、溶剂性质及吸收物质的性质等多种因素有关。
当其它因素固定不变时，吸光系数只与吸收物质的性质有关，可作为该物质吸光能力大小的特征数据。
7．分光光度计：能从含有各种波长的混合光中将每一单色光分离出来并测量其强度的仪器称为分光光度计。
它具有分析精密度高、测量范围广、分析速度快和样品用量少等优点。
根据所使用的波长范围不同可分为紫外光区、可见光区、红外光区以及万用（全波段）分光光度计等。
太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪
分 球 太 阳 光谱 仪 ， 可 以实 现 高 精 度 太 阳光 谱 辐 照度 的绝 对 测 量 。
关
键
词： 单色仪 ； 低 温绝 对 辐 射 计 ； 绝 对 测 量 ；空 间遥 感
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ７ ３
文献标识码 ： Ａ
ＤＯ Ｉ ：１ ０ ． ３ ７ ８ ８ ／ 坫ｘ ｂ ２ ０ １ ７ ３ ８ ０ ８ ． １ ０ ９ ７
太阳光谱辐 照度绝对测量及其定 标单 色仪
贾瑞 栋 ，夏 志 伟 ，王 玉鹏 ，方 伟
（ 中 国科 学 院 长 春 光 学 精 密 机 械 与 物理 研 究 所 ，吉 林 长 春 １ ３ ０ ０ ３ ３ ）
摘 要 ：为满足高精度 太阳光谱 辐照度绝对测量的需求 ， 研 制 了太 阳光谱 辐照度 绝对测 量系统及 其定 标单色
第３ ８卷
第 ８期
发 光 学 报
ＣＨ Ｉ ＮＥＳ Ｅ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＵＭ Ｉ ＮＥ
Ａｕ ｇ． ２ ０１ ７
，
２ ０１ ７年 ８月
文章编号 ： １ ０ ０ ０ － ７ ０ ３ ２ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ８ ． １ ０ ９ ７ ． ０ ５
Ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ Ａｕ ｔ ｈ ｏ ｒ ．Ｅ－ ｍａｉ ｌ ：ｗａ ｎ ｇ ｙ ｐ ＠ ｃ ｉ ｏ ｍｐ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｍａ ｎ ｄ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｂ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｅ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ ｉ ￣ ａ ｄ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ （ Ａ Ｓ Ｓ Ｉ ）
摄谱仪原理
摄谱仪原理
摄谱仪原理是一种通过测量物质吸收或发射特定波长的电磁辐射来分析物质成分和结构的分析技术。
其原理基于物质在特定波长光照射下，吸收或发射电磁辐射的特性。
摄谱仪包含一个光源、一个样品室、一个光学系统和一个检测器。
摄谱仪工作的步骤如下：
1. 光源：摄谱仪使用具有特定波长的光源，常用的光源有氙灯、钨灯等。
光源会产生一束特定波长的光束。
2. 样品室：样品室是放置待测样品的地方，样品可以是气体、液体或固体。
样品中的分子和原子会对特定波长的光束进行吸收或发射。
3. 光学系统：光学系统用来对光进行分散和聚焦，以使样品中不同波长的辐射能够被分开和检测到。
4. 检测器：检测器用来测量经过样品后光的强度变化。
可以根据样品对特定波长的吸收或发射情况，来推断样品的成分和结构。
在摄谱仪中，常用的摄谱技术有紫外可见光谱、红外光谱和质谱等。
摄谱仪广泛应用于化学、生物、环境等领域中的物质分析和结构解析。
摄谱仪原理
摄谱仪原理
摄谱仪是一种用于测量光谱的仪器，它能够将光信号转换为电信号，并对其进行分析。
摄谱仪的原理主要包括光的分光、光的检测和信号的处理三个方面。
首先，摄谱仪通过光的分光将混合的光信号分解成不同波长的光，这是摄谱仪工作的第一步。
光的分光可以通过棱镜或光栅来实现，当混合的光进入摄谱仪后，通过分光装置的作用，不同波长的光被分别分离出来，形成光谱。
其次，分光后的光信号会被检测器接收并转换成电信号。
检测器通常采用光电二极管或光电倍增管等光电探测器，它们能够将光信号转换为相应的电信号，并输出到后续的信号处理器中。
最后，经过检测器转换的电信号将被送入信号处理器进行信号处理。
信号处理器会对电信号进行放大、滤波、数字化等处理，以便后续的数据分析和处理。
经过信号处理后的数据可以用于光谱分析、光谱定量、光谱成像等应用。
摄谱仪的原理简单来说就是将光信号转换为电信号，并通过光的分光、光的检测和信号的处理三个步骤完成对光谱的测量和分析。
摄谱仪广泛应用于化学分析、光谱学、生物医学、环境监测等领域，是一种非常重要的光学仪器。
总结一下，摄谱仪原理主要包括光的分光、光的检测和信号的处理三个方面。
通过这三个步骤，摄谱仪能够完成对光谱的测量和分析，广泛应用于各种领域。
希望本文能够对摄谱仪的工作原理有所帮助。
单色仪和摄谱仪
单色仪和摄谱仪基本组成在光源的所有波长上，单色仪和摄谱仪系统在出口平面上形成入口狭缝的像。
实现这一功能有很多种配置设计，在这里仅仅讨论最常见包含平面光栅系统（PGS）和像差修正全息光栅（ACHG）系统。
Fastie-Ebert型配置Fastie-Ebert型仪器主要由一片面积很大的球面反射镜和一片衍射光栅组成（参看图2.1）。
首先，反射镜的一部分收集并准直将要入射到平面光栅上的光。
然后，反射镜的另一部分将衍射分光后的光线聚焦并使之在出射平面上成入口狭缝的像。
这是一类造价低廉、非常常见的设计，但是由于系统偏差如球面偏差（spherical aberration）、彗差（coma）、散光偏差（astigmatism）以及非平面焦平面等，它在离轴光线的成像质量方面能力有限。
Fastie-Ebert 型配置Czerny-Turner型配置Czerny-Turner(CZ)型单色仪由两片凹面反射镜和一片平面衍射光栅组成（参看图2.2）。
虽然这两片反射镜各自的功能与Fastie-Ebert型配置中的单片球面反射镜的功能相同，如首先准直入射光线（反射镜1），然后聚焦从光栅反射的色散分离光线（反射镜2），但是Czerny-Turner型配置中反射镜的尺寸却可以根据需要改变。
采用非对称几何学，Czerny-Turner型配置能够设计实现平面光谱面以及在特定波长上良好的彗差修正。
但球面偏差和散光偏差在所有波长上依然存在。
采用CZ配置，也能够设计与大通量光学相匹配的系统。
Czerny-Turner 型配置Czerny-Turner/Fastie-Ebert型的PGS偏差PGS摄谱仪存在某些偏差，降低了光谱分辨率、空间分辨率以及信噪比等指标。
最突出的偏差有散光偏差、彗差、球面偏差以及散焦（defocusing）。
PGS仪器常常离轴使用，因此偏差在每个平面上都有所不同。
本书并不打算详细回顾这些偏差的概念和细节1，但是在考虑这些偏差产生的效应时，理解光路差（OPD）的概念是很有帮助的。
光辐射计原理
光辐射计原理
光辐射计是一种用于测量光强度的仪器，采用的原理主要是辐射学和光电学。
辐射学是研究物体发射、吸收和散射辐射的学科，光辐射计利用辐射学中的黑体辐射原理来测量光强度。
具体来说，光辐射计会将光辐射能量转换成一个电信号，然后将这个信号转换成光强度的数值。
光电学则是研究光电效应和光电子学的学科，光辐射计也利用了光电学中的一些原理，如光电二极管和光电倍增管等。
在使用光辐射计时，需要注意的是仪器的灵敏度和测量范围，以及所测量的光源的波长范围等因素。
- 1 -。
光辐射试卷
一、名词解释：（5×3，=15分）1.视觉函数：1.视觉函数：设引起相同明暗视觉的波长与波长为555nm的辐射通量分别为φ（λ）和φ（555）则视觉函数为V（λ）=φ（λ）/φ（555）2.漂移现象：2.漂移现象:长期遮盖以后的光电池暴露在光线照射下,当受照面的照度不变时,刚开始光电流是逐渐变化的,有时上升,有时下降,最后趋于稳定这种现象称为漂移现象.3.偏向角：通过棱镜的光线相对与原来方向发生的偏折.4.亮度温度：时同一波长的辐射被测物体在某一温度T时在给定波长的辐射亮度与黑体在某一温度Tb 亮度相等,则黑体的温度T称为被测物体在该波长下的亮度温度.b5.二次电子发射：5.二次电子发射:电子将能量转发给发射表面,因电子束射到材料上而引起材料表面的电子发射称为二次电子发射.1.朗伯表面：二、填空题：（8×3，=24分）1.电磁波谱包括、和三部分。
2.亮度计除测定外，还可测量任一截面内光源在各个方向上的，亮度计定标用照射而进行的，在定标时必须先进行，同时为了避免误差产生应注意勿让进入。
3.已知均匀点光源的光强为8cd，其光通量为Lm，照射到r=2m的球壁上的照度为Lx。
4.计算总光通量的方法有、和三种，我国总光通量白炽标准灯有、和三种。
5.通常分解光的器件有和，由它们制得的单色仪是、和测量和计算的主要分光仪器。
6.紫外光定标单色仪的棱镜是，而红外光定标中的棱镜是。
7.外光电效应探测器探测到的极限波长λ0＜，决定了光电管和光电倍增管只能对、和进行探测，其中光电管类型分和两种。
8.三基色分别指、和三色，各自对应的波长分别为、和nm。
《光辐射测量》试题（二）2.已知均匀电光源的光强为12cd，其光通量为，照射到R=2m的球壁上的照度为3.目视法测光强时的照度为，测色温须加上。
9.用亮度计测亮度时一般用之间的视场角，它的大小由决定。
10.常用的V（ ）滤光片有和两种。
《光辐射测量》试卷（四）3.目视法测光强时的照度应为，测色温需加上。
单色仪的定标和光谱测量共48页文档
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
单色仪的定标和光谱测量
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26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
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27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
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28、好法律是由坏风俗创造出来的。 —切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
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30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
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• 光谱仪的基本特性
1 线色散: l
l
:表示在 附近,单位波长间隔内的两光线在
谱面上的距离。
由右图知 dl f2 • d
d sin d
d 称为角色散。
d
2.分辨本领:仪器或人眼对两个非常靠近的物体刚 能加以识别的能力。
在无像差的情况下,光充满整个棱镜时,
t dn d
dn 为棱镜色散率 dt 为三棱镜底边长
⑴减小两缝的宽度 ⑵增大单色仪的线色散
➢ 注:在缝宽一定的情况下,单色仪在长波区出射光
的光谱宽度大于短波区的光谱宽度。
§4-3 棱镜单色仪的定标
• 可见光的定标:
1.光源的调整——对光 2.单色仪色散曲线的标定:
将出射缝S2开得尽可能小,当人眼恰能看到一 线光时,放入读数显微镜,使十字叉的竖线和缝中心 重合(调整好以后,读数显微镜不能动);转动鼓轮使 汞的光谱线分别通过竖线,记录每一波长及相应波 长所对应的鼓轮读数;最后作鼓轮读数T0和波长λ 的变化曲线,即为波长定标曲线
光栅常数（a+b)越小，即单位长度内的狭缝（刻 痕）数目越多，角色散越大。级次高的光谱，色散 也大。 2.分辨本领R R j N
Hale Waihona Puke 单位长度内,光栅的狭缝数目越多,即N越大,各极大 值越细锐,使得靠得很近的同一级两光谱线更容易 分辨。
§4-5光谱仪入射缝的照明系统
• 狭缝照明时应满足的条件:
1.让需要的那部分光线进入光谱仪 2.进入光谱仪的光线要刚好充满棱镜或光栅 3.要均匀的照亮入射缝的全部面积 4.狭缝的像要求照度均匀 5.照明系统的像差要减小到最低限度
• 红外、紫外辐射区的定标:
将人眼观察光的地方改装成对红外或紫外敏感 的光电转换器,进行放大后接上电流表,观察指针的 变化。 对红外灵敏的光电探测器：光导管 对紫外灵敏的光电探测器：石英棱镜光电倍增管 ➢ 注:转动鼓轮时必须向同一个方向转,如若是由红 外光区→紫外光区就不能倒转紫外光区→红外光区
§4-4 光栅单色仪
为两条谱线的波长差
3.聚光本领:它是描述物镜聚集光通量能力的物理 量,用像面照度E来表示。
E L( D )2
4 f2
L为狭缝处宽度
为光谱系统透射比。
D 为照度透镜的相对孔径。
f2
４.单色仪出射光的光谱宽度
d dl
d
dl
(a1
a2 )
为线色散率倒数 a1 为入射缝宽度
a2 为出射缝宽度
减小单色仪入射光的光谱宽度的方法:
• 概述:
1.光栅定义:它是由大量的等宽等间距的平行狭缝 的平面玻璃或金属组成的光学系统。
2.优点:不受波长限制,整个光谱区都能用；角色散 大；角色散几乎与波长无关(测波长更方便） 分辨本领大。
3.缺点:光谱级次重叠,光谱波长范围不宽;存在假 线。
• 光栅基本特性:
1.角色散: d
j
d (a b) cos
§4-2棱镜单色仪的结构和基 本性质
• 棱镜单色仪的结构和光路:
1.构造(图见下页)： 入射光准直系统(第一准直系统):S1 、M1组成 色散系统:M起将M1射来的平行光反射到P上的作用 出射光系统(第二准直系统):M2、S2组成 2.光路:光从S1 M1 反射成 平行光M 反射 P 色散 M2 反射并聚焦，其中最小偏向角的单色光束射到S2
• 光谱仪入射缝照明的几种方法:
1.光源直线照明入射缝:
优点：使缝能得到均匀的照明。
2.透镜照明:
优点：通过透镜的会聚作用，增加入射缝的亮 度，即增加进入光谱仪的光通量，使出射缝出射的 光谱线的强度增加。
3.球面镜反向照明 优点：无色差。
结束语
谢谢大家!
min
(i1 i1' ) (i2 i2' )
i1' i2 i1 i2'
由理论证明，当在棱镜内的折射线平行棱镜底边或 i1 时 i偏2' 向角达到最小值min 2i1
• 棱镜的折射率
当偏向角最小时，
i1
根据折射定律:
min 2
n Sini1 Sini1'
Sin min
2
Sin
2
i1'
i2
2
波长相同的各条出射光谱线之间是相互平行的，而
波长不同的各条光谱线之间是不平行的。
• 棱镜的色散：
1.色散现象：由复合光分解成单色光而形成光谱的 现象。由此可以制成单色仪，由单色 仪的分光作用可以测得光源的光谱功 率分布。
2.产生色散的原因：白光是一种波长不同的复合 光，同一介质对于不同颜色的 光折射率不同。
第四章单色仪和摄谱仪
• §4-1棱镜的折射和色散 • §4-2棱镜单色仪的结构和基本性质 • §4-3棱镜单色仪的定标 • §4-4光栅单色仪 • §4-5光谱仪入射缝的照明系统
§4-1棱镜的折射和色散
• 偏向角 （如图所示）：
通过棱镜的光线的进行方向相对于原来方向发生的 偏折。
•
最小偏向角:
由图有：