用单色仪测定介质的吸收曲线
光谱法测量透明介质的吸收曲线
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：班级：应物11-1 姓名： 史湘伟 11093117 同组者： 石盼盼 教师： 闫向宏光谱法测量透明介质的吸收曲线【实验目的】1、了解光栅光谱仪的构造原理及其使用方法。
2、加深对介质光谱特性的了解。
3、掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
【实验原理】当一束光穿过有一定厚度的透明介质平板时，有一部分光被反射，另有一部分光被介质吸收，剩下的光从介质平板透射出来。
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 的透明介质平板上，如图3-2-1所示。
如果从界面1反射的光强为I R ，从界面1向介质透射光的光强为1I ，在界面2处的入射光强为2I ，从界面2射出的透射光的光强为I T ，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I I T T=（3-2-1） 12I I T i =（3-2-2） 以上提到的1I 、2I 、I R 和I T 是指光在界面1和2上，以及在介质中多次反射和透射的总效果。
一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。
我们将光谱透射率i T 与波长λ的关系曲线称为透射曲线。
依据朗伯-比耳定律，在均匀介质内部光谱透射率i T 与介质厚度d 有如下关系d ie T α-= （3-2-3）式中α称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。
吸收系数不仅与介质的材料有关，而且与入射光的波长有关。
吸收系数α与波长λ的关系曲线称为吸收曲线。
设光垂直入射到厚度为d 的介质上，光要从介质前后表面发生反射。
如果α值很小，反射可以进行多次。
若介质表面的反射系数为R ，则透过样品的光强为()()()()dd d d d T T T T Te R e R I e R R I e R R I e R I I I I I I ααααα22205420322020432111111-------=+-+-+-=++++=（3-2-4）式中1I T 、2I T 、3I T … 分别表示从界面2第一次透射、第二次透射、第三次透射…的光的光强。
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。
用光栅光谱仪测定介质的吸收光谱资料
实验一 用光柵光谱仪测定介质的吸收光谱介质的吸收光谱与发射光谱一样，不但用于光谱分析，而且用于研究物质结构。
在原子物理、分子物理、化学、天体物理等领域内，吸收光谱是一种重要的研究手段。
光谱仪是常用的基本光学仪器，可用于测量介质的光谱特性、光源的光谱能量分布等。
本实验中用光谱仪测量钕玻璃的吸收曲线。
实验目的1． 了解光柵光谱仪的构造及其使用方法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。
实验原理当一束光穿过有一定厚度的介质平板时，有一部分光被反射，另有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I 0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反射的光强为I R ，从界面1向介质透射光的光强为I 1，到达界面2的入射光的强度为I 2，从界面2射出的透射光的光强为I T ，则定义介质板的光谱外透射率T 和介质的光谱透射率T i 分别为 T =I I T（1）i T =12I I （2） 这里的I R ，I 1，I 2，和I T ，都应该是光在界面1和2上以及介质中多次反向和透射的总效果。
一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。
我们将光谱透射率与波长的关系曲线称为透射曲线。
在均匀介质内部，光谱透射率与介质厚度有如下关系ad i e T -= （3）式中，a 称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。
吸收系数不仅与介质有关，而且与入射光的波长有关。
吸收系数与波长的关系曲线称为吸收曲线。
设光垂直入射到厚度d 为的介质上，光要从前后表面发生反射，如果a 值很小，反射可以进行多次，若介质表面的反向系数为R ，则透过样品的光强为图1 一束光入射到平板上++++=4321T T T T T I I I I I+-+-=--adad e R R I e R I 32202011）（）（ adade R e R I 222011----=）（ （4） 式中I T 1、I T 2、I T 3、I T 4、…，分别表示从界面2第一次透射，第二次透射，…，光的光强。
钕玻璃吸收谱的测定
钕玻璃吸收谱的测定内容摘要光通过物质后由于物质对光的吸收和光的散射，其强度会有所减弱。
具有连续光谱的光在通过有选择吸收的物质后，光谱中出现黑色谱带成为吸收光谱。
本实验选用反射式棱镜单色仪来测量钕玻璃的吸收谱,得到的吸收光谱可用于对物质定性定量的分析，确定其中所含某种杂质的含量，还可以确定其分子结构。
在石油化工、医药卫生和环境保护等领域，吸收光谱的测量有着广泛的应用。
一、实验目的通过对钕玻璃吸收光谱的测量进一步熟悉单色仪等光谱仪器的性能和使用方法；了解吸收光谱的测量原理和学习吸收光谱的一种测量方法。
二、实验原理9.0])11(-1[)(57.1)(T 1)(A )()()(i )(),()(T )(T )(T )(0,D )(),()(ln )()(T 1)(),()()(A 1,0T ])(exp[)(),()(T d c )()(),(])(exp[)(),(22000T '0'0'0'0'0'0'0≈+-==-==ΦΦ=+∞∈=ΦΦ=-=ΦΦ-Φ=∈-=ΦΦ=ΦΦ-Φ=Φn n n i d cd k d D d cd k d k d cd k d λτλλλλτλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλ透射系数的钕玻璃样品，吸收池对于折射率为，。
点测量。
波长间断变化时，逐测器转换的光电流信号品两种情况下由光电探不安置待测样处，分别测量在安置和鼓置于不同的波长测量方法：把单色仪波常直接确定在测量吸收光谱时，通，吸收物质光密度吸收率）（，透射率为吸收层厚度。
为吸收物质的浓度，的吸收系数，为吸收物质光通量，波长为为入射到吸收物质层、质层的光通量，为通过吸收物。
：布盖朗伯比尔组合定律三、实验仪器反射式棱镜单色仪、汞灯、氦灯及电源、溴钨灯及低压电源变压器、读数显微镜、光点检流计、会聚透镜、钕玻璃、照明小灯。
四、实验步骤1、绘出所用单色仪的定标曲线2、设计实验方法测量钕玻璃的吸收系数3、测量钕玻璃的透射率，以溴钨灯作光源，用硅光电池和光电检流计组成的光电接收器来测量相对光强信号，并计算吸收率。
单色仪调整与使用 单色仪调整与使用
实验内容： 1. 图 7 为单色仪的主机的外观结构图，首先熟悉仪器的使用，学会利用测光仪和计算机测 量光谱的方法。
4
2. 3.
利用主机上的波长显示器和测光仪上的数字显示测量滤波片的透过率。 测量钠灯或汞灯的光谱，并根据钠或汞的分立光谱线的测量计算出单色仪的实际分辨本 领。
4.
在测量的时候要注意照明光路的调整、入射狭缝宽度和出射狭缝宽度问题。
信号转换 关 开
钨灯
高压开关
高压
测光仪正面
测光仪背面
2. 检查单色仪的入射狭缝宽度是否合适。出射狭缝由实验室事先调好不需检查。 3. 利用钨灯和主机上波长显示器和测光仪上的数字显示测量通过滤光片的透过率。 4．测量汞灯的 576.96nm 与 579.96nm 两条光谱线，并根据这两条分立光谱线计算出单色仪的实际 分辨本领 R。
d
Nd c o s
D
d m d d c o s
R
mN d
式中 N 为光栅的总线数，在本实验中 N 为 64 1200=76800，m 为所用的光的衍射级次，本实验中 m=1。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。
a
2 1 (2 1 ) / 2 R
b a
b
方法：利用计算机上的“单色仪”应用程序，先设定好当前位置和积分时间，然后利用分段扫描 F3 测出 a 和 b，估计出1 和2 的值。再利用归峰扫描 F5 测出精确的1 和2 的值。
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单色仪实验预习要求
图 7
单色仪外观图 （9）扫描启停开关 （10）电源指示灯 （11）
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。
光谱法测量透明介质的吸收曲线
中国石油大学 近代物理实验 实验报告 成 绩：实验3-2 光谱法测量透明介质的吸收曲线【实验目的】1、了解光栅光谱仪的构造原理及其使用方法。
2、加深对介质光谱特性的了解。
3、掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
【实验原理】设有一束波长为λ、入射光强为I 0的单色平行光垂直入射到一块厚度为d 的透明介质平板上，如图3-2-1所示。
如果从界面1反射的光强为I R ，从界面1向介质透射光的光强为I 1，在界面2处的入射光强为I 2 ，从界面2射出的透射光的光强为I T ，则定义介质板的光谱外透射率T 和介质的光谱透射率T i 分别为I I T T=（3-2-1） 12I I T i =（3-2-2） 依据朗伯-比耳定律，在均匀介质内部光谱透射率T i 与介质厚度d 有如下关系d ie T α-=（3-2-3）式中α称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。
设光垂直入射到厚度为d 的介质上，光要从介质前后表面发生反射。
如果α值很小，反射可以进行多次。
若介质表面的反射系数为R ，则透过样品的光强为()()()()dd d d d T T T T Te R e R I e R R I e R R I e R I I I I I I ααααα22205420322020432111111-------=+-+-+-=++++=（3-2-4）式中I T1、I T2、I T3 … 分别表示从界面2第一次透射、第二次透射、第三次透射…的光的光强。
所以()ddT eR e R I I T αα222011----== （3-2-5） 通常介质的光谱透射率T i 和吸收系数α是通过测试由同一材料加工成的（α相同），表面性质相同（R 相同），但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得出的。
设两块试样的厚度分别为d 1和d 2，d 2＞d 1，光谱外透射分别为T 1和T 2。
由（3-2-5）式可得图3-2-1()()211222221211d d d d e R e e R e T T αααα------=一般R 和α都很小，故上式可近似为()1212d de T T --=α （3-2-6） 即1221ln ln d d T T --=α （3-2-7）比较（3-2-6）式和（3-2-3）式，可得12T T T i =（3-2-8） 实验中的WGD —8A 型光栅光谱仪采用光电倍增管测量光谱的光强。
单色仪
近代物理实验
实验中应注意和考虑的几个问题
1．汞灯和溴钨灯的灯丝结构是不同的。为了让尽量多的光尽可能均匀的 照明入射狭缝S1,校对波长示值时应将会聚透镜产生的汞灯的小像成在S1 上，而测量时应将溴钨灯的大像成在S1上。 2．为了减少钕玻璃片厚度不均及光电倍增管受光面上各处光谱响应可能 有差异而产生误差，应保持钕玻璃和光电倍增管的位置不变。 3.狭缝S1和S2的宽度不得超过3mm，实验完毕应将入射缝、出射缝盖严， 以免污损。 4．光电流放大器应选择最佳的测试条件：放大调节至最小，调负高压 （一般在500V以下宜），使光读数适中，在整个测试过程中，应严格保 持测试条件不变。 5．在实验时不能让光电倍增管曝强光，不能在加负高压时取下光电倍增 管，否则会烧坏光电倍增管。实验结束时应先关负高压，再关溴钨灯，最 后关总电源开关。
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。
近代物理实验 实验目的和教学的要求
• 了解单色仪的构造原理并掌握其使用； • 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.
仪器概述 近代物理实验
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。
• 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。
单色仪的定标和光谱测量
距 f=500 mm.光栅条数：1200 L/mm。狭缝宽度在 0-2 mm 连续可调， 示值精度 0.01 mm。光电倍增管的测量范围：200-800 nm；CCD 的测 量范围：300-900 nm。
四、实验内容
(1):光栅单色仪的定标 单色仪的定标指的是借助于波长已知的线光谱光源来对单色仪测量的波长 进行标定， 校正在使用过程中产生的波长位置误差，来保证测量的波长位置的准 确性。 定标用光源：氦氖激光器（632.8 nm） 低压钠灯（589.0 nm 和 589.6 nm） 要求设计和调整光路把光导入入射狭缝，测量时须找出合适的负高压值， 并利用采集程序设定合理的测量范围获取双光谱线（钠灯）完全分离开的光谱 曲线。并记录负高压值和保存光谱曲线。测量低压钠灯的光谱，钠原子光谱一般 可观察到四个线系：主线系、第一辅线系（又称漫线系） 、第二辅线系（又称锐 线系）和柏格曼线系（又称基线系） 。由同一谱线的波数差即可得到钠的里德伯 常数。( 该单色仪可测得谱线的精细结构，对精细结构处理后即可得到谱线波 数)。 在仪器调整较好的情况下我们可测得主线系的 589.0 nm 和 589.6 nm，
二、 实验原理（见预习报告） 三、实验仪器
光栅光谱仪(单色仪)是一个光谱分析研究的通用设备，其元件主要包括：光 栅及反射镜，准光镜和物镜，入射出射狭缝旋钮，信号接收设备( 光电倍增管 /CCD)， 计算机及软件系统， 图 7 给出了典型光栅单色仪的结构图。 光栅光谱仪(单 色仪)可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元素光谱（使用元素灯作为光源） ，也可 以作为更为复杂的光谱仪器的后端分析设备，比如激光喇曼/荧光光谱仪。光栅 由计算机软件控制步进电机驱动，可以获得较高的精度。
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用光栅光谱仪测定介质的吸收光谱资料
实验一 用光柵光谱仪测定介质的吸收光谱介质的吸收光谱与发射光谱一样，不但用于光谱分析，而且用于研究物质结构。
在原子物理、分子物理、化学、天体物理等领域内，吸收光谱是一种重要的研究手段。
光谱仪是常用的基本光学仪器，可用于测量介质的光谱特性、光源的光谱能量分布等。
本实验中用光谱仪测量钕玻璃的吸收曲线。
实验目的1． 了解光柵光谱仪的构造及其使用方法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。
实验原理当一束光穿过有一定厚度的介质平板时，有一部分光被反射，另有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I 0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反射的光强为I R ，从界面1向介质透射光的光强为I 1，到达界面2的入射光的强度为I 2，从界面2射出的透射光的光强为I T ，则定义介质板的光谱外透射率T 和介质的光谱透射率T i 分别为 T =I I T（1）i T =12I I （2） 这里的I R ，I 1，I 2，和I T ，都应该是光在界面1和2上以及介质中多次反向和透射的总效果。
一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。
我们将光谱透射率与波长的关系曲线称为透射曲线。
在均匀介质内部，光谱透射率与介质厚度有如下关系ad i e T -= （3）式中，a 称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。
吸收系数不仅与介质有关，而且与入射光的波长有关。
吸收系数与波长的关系曲线称为吸收曲线。
设光垂直入射到厚度d 为的介质上，光要从前后表面发生反射，如果a 值很小，反射可以进行多次，若介质表面的反向系数为R ，则透过样品的光强为图1 一束光入射到平板上++++=4321T T T T T I I I I I+-+-=--adad e R R I e R I 32202011）（）（ adade R e R I 222011----=）（ （4） 式中I T 1、I T 2、I T 3、I T 4、…，分别表示从界面2第一次透射，第二次透射，…，光的光强。
光栅单色仪的定标和光谱测量实验
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。
单色仪定标与谱测量2011413131206
实验名称： 光栅单色仪的定标和光谱测量实验目的：（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。
单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm 光栅的面积64⨯64mm 2光栅的刻划密度为1200线/mm 二、狭缝宽度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。
最佳狭缝宽度为：Dfa n λ=86.0。
其中f 为抛物镜的焦距，D 是由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，实验中f ＝500mm ，D=64mm 。
三、光栅的色散和分辨本领根据光学的理论知识可知，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。
根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。
理论上它们分别为：式中N 为光栅的总线数，在本实验中N 为64⨯1200=76800，m 为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。
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。
四、闪耀光栅当入射光与光栅面的法线n 的方向的夹角为 （见图2）时，光栅的闪耀角为 b ，取一级衍射项时，对于入射角为 ，而衍射角为 时，光栅方程式为：()sin sin d ϕθλ+=因此当光栅位于某一个角度时（ 、 一定），波长 与d 成正比。
本次实验所用光栅（每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为200 nm —900nm, 刻划尺寸为64 64 mm 2）。
用单色仪测定介质的吸收曲线
用单色仪测定介质的吸收曲线SANY标准化小组 #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#用单色仪测定介质的吸收曲线核51 粟鹏文 44一、实验目的1：了解光谱测量基本仪器—光栅单色仪的基本构造并掌握其使用方法；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，有一部分被反射，另有一部分光被介质吸收，剩下的光以介质板透射出来。
设有一束波长为，入射光强为0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。
若从界面1射回的反射光的光强为，从界面1向介质内透射的光的光强为1，入射到界面2的光的光强为2，从界面2出射的透射光的光强为，则定义介质板的光谱外透射率和介质的光谱透射率分别为：= 0= 21 这里，，1，2，都应该是光在界面1和2上以及介质中多次反、透射的总效果。
通常，介质对光的反射、透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省略波长标记，但都应理解为广谱量。
光谱透射率与波长的关系曲线称为透射曲线。
在介质内部（假定内部无散射），光谱透射率与介质厚度d有如下关系：=-αd式中，α称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。
它不仅与介质有关，而且与入射光的波长有关。
吸收系数α与波长λ的关系曲线称为吸收曲线。
设光在单一界面上的反射率为R，则透射光的光强为I I=I I1+I I2+I I3+I I4+...=I0(1−I)2I−ad+I0(1−I)2I2I−3αd+I0(1−I)2I4I−5αd +I0(1−I)2I6I−7αd+...=I0(1−I)2I−ad(1+I2I−2αd+I4I−4αd+I6I−6αd+...)=I0(1−I)2I−αd1−I2I−2αd式中，I_(T_1 )，I_(T_2 )…分别表示光从界面2第一次透射，第二次透射……的光的光强。
单色仪的定标和光谱测量
方案 高速，USB2.0接口，即插即用接口，无需PCI卡，16-bit动态
域，2MHz读出速度，无需PCI卡 单层光输入窗口玻璃，最小的光损耗 特制CCD芯片及UV镀膜，具有高灵敏度及分辨率 双放大器结构和独立的增益设定。无可比拟的多功能性 触发及快门控制，先进(xiānjìn)的操作尽在您的掌握
m=1, N=64mm1200/mm=76800
精品资料
闪耀(shǎnyào)光栅的原理
n为刻槽面法线方向
为光线的入射角
N为光栅面法线方向
为光线的衍射角
N
b 光栅的闪耀角
n -b
角度的符号规定（顺 时针为正）
-
b
精品资料
入射角与闪耀波长(bōcháng)的关
系
n ,m , .
光强曲线(qūxiàn)
精品资料
单色仪狭缝(xiá fénɡ)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(yǎnshè)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：
f = 500 mm
w0
w
.
f
D
f
an D
a/an
精品资料
(jǔxíng)
单色仪的分光(fēn ɡuānɡ)系统—光 栅
矩 形
光 栅
凹 面 平 场 光 栅
精品资料
入射光垂直(chuízhí)矩形光栅时衍射光强的分布公式：
II0(si n)2(sN in siN n)2
单缝衍射因子(yīnzǐ) 干涉 因子(yīnzǐ)
在单波长紫外可见分光光度计上测定导数吸收光谱
·998 ·
长紫外可见分光光度计上 ,测定样品在不同波长 (λ) 下的吸光度 ( A ) ,然后对λ2A 数据进行一系列数学 处理 ,分别得到不同波长下的吸光度差 (ΔA ) 、波长 差 (Δλ) 、一阶导数近似值 (ΔA/ Δλ) 、二阶导数近似 值 (Δ2 A/ Δλ2 ) 以及三阶导数近似值 (Δ3 A/ Δλ3 ) 等 , 在计算机上利用 EXCEL 的绘图功能 ,分别以ΔA/ Δλ、Δ2 A/ Δλ2 及Δ3 A/ Δλ3 为纵坐标 ,以λ为横坐标 , 绘制出样品的一阶 、二阶及三阶导数吸收光谱 ,通过 对各阶导数吸收光谱的解析与测量对样品进行定性 定量分析 。以本法测定导数吸收光谱扩大了单波长 紫外可见分光光度计的分析功能和应用范围 ,具有 推广应用价值 。
理化检验 - 化学分册
梁述忠 :在单波长紫外可见分光光度计上测定导数吸收光谱
的带状光谱转变为具有众多精细结构的复杂谱图 , 效果明显 。
1 试验部分
1. 1 仪器与试剂 752 型单波长紫外可见分光光度计 。 邻菲 罗 啉 铁 溶 液 : 0. 01 mol ·L - 1 , 移 取
0. 100 mol ·L - 1 铁 ( Ⅱ) 标 准 溶 液 5. 00 mL 置 于 50 mL 容量瓶中 ,依次加入 HOAc2NaOAc 缓冲溶 液 5 mL ,100 g ·L - 1 盐酸羟胺溶液 2. 5 mL ,1. 5 g ·L - 1 邻菲罗啉溶液 2. 5 mL ,显色后以去离子水稀 至刻度 。 1. 2 试验方法
（二）吸收值的测量——峰值吸收系数K0与积分吸收
（二） 吸收值的测量——峰值吸收系数 K 0 与积分吸收 积分吸收就是将原子吸收线轮廓所包含的吸收系数进行积分（即 吸收曲线下的总面积）。
根据经典的爱因斯坦理论，积分吸收与基态原子数的关系为：02fN mc e d K πνν=⎰(6)式中：e —电子电荷； m —电子质量； c —光速；N 0—单位体积原子蒸气中能够吸收波长 λ +∆λ 范围辐射光的基态原子数；f —振子强度（每个原子中能够吸收或发射特定频率光的平均电子数，f 与能级间跃迁概率有关，反映吸收谱线的强度） 在一定条件下，f mc e 2π为常数，则：即 积分吸收与单位体积原子蒸气中能够吸收辐射的基态原子数成正比，这是原子吸收光谱分析的理论依据。
若能测得积分吸收值，则可求得待测元素的浓度。
但①要测量出半宽度 ∆ν只有0.001 ~ 0.005nm 的原子吸收线轮廓的积分值（吸收值），所需单色器的分辨率高达50万的光谱仪，这实际上是很难达到的。
②若采用连续光源时，把半宽度如此窄的原子吸收轮廓叠加在半宽度很宽的光源发射线上，实际被吸收的能量相对于发射线的总能量来说及其微小，在这种条件下要准确记录信噪比十分困难。
1955年，澳大利亚物理学家A.Walsh 提出以锐线光源为激发光源，用测量峰值吸收系数（K 0）的方法代替吸收系数积分值⎰λνd K 的方法成功地解决了这一吸收测量的难题。
锐线光源——发射线的半宽度比吸收线的半宽度窄的多的光源且 当其发射线中心频率或波长与吸收线中心频率或波长相一致时，可以认0kN d K =⎰νν为在发射线半宽度的范围内 K ν 为常数，并等于中心频率∆ν 处的吸收系数 K 0 (峰值吸收 K 0可准确测得)。
理想的锐线光源——空心阴极灯：用一个与待测元素相同的纯金属制成。
由于灯内是低电压，压力变宽基本消除；灯电流仅几毫安，温度很低，热变宽也很小。
在确定的实验条件下，用空心阴极灯进行峰值吸收 K 0 测量时，也遵守Lamber-Beer 定律：l K I I A 00434.0lg ==ν(7) 峰值吸收系数K 0与谱线宽度有关，若仅考虑多普勒宽度∆νD ：f N mce K D 0202lg 2⋅⋅∆=ππν (8) 峰值吸收系数 K 0 与单位体积原子蒸气中待测元素的基态原子数 N 0 成正比。
散射与光吸收,复折射率
复折射率与色散、吸收色散与光的吸收性现象与我们生活息息相关，值得我们去深入研究。
在本报告中，我们对光的色散与一般性吸收进行了阐述并设计了验证它们的实验，同时，利用三棱镜制作的光谱分析仪来举例说明了色散的应用，并利用matlab仿真模拟我们所建立在洛伦兹的受迫振荡电偶极子理论上的数学模型，并对量子模型以及经典模型展开了一些比较。
一、课题重述由麦克斯韦电磁场理论可知，介质的折射率及光波在介质中的相速度均取决于介质的介电常数ε。
一般来说，介质中，ε并非是一个常数，而是入射光波频率的函数。
从现象来看，介质的色散表现为介质对不同频率的入射光波具有不同的传播相速度，因而具有不同的折射率。
我们在大学物理中已经学习过布格定律，即大多数介质表现为一般性吸收（指数变化），但是在介质的谐振频率附近，吸收和色散均有很大的变化。
回答下面几个问题，加深对色散的理解：（1) 知识:描述正常色散，一般性吸收现象。
（2)领会：设计实验，验证玻璃中的色散效应和介质中的吸收系数。
（3) 运用：你所想到的色散可以有哪些应用？设有一个玻璃折射率为n（）的三棱镜，设计一个光谱分析仪。
（建立输入光谱与玻璃三棱镜输出光的之间的关系）（4)分析与综合：按照洛伦兹的受迫振荡电偶极子理论，建立色散数学模型；采用matlab绘出折射率实部、虚部与频率的关系曲线。
并说明介质的色散和吸收特性与光频率的关系。
（5)评价：采用量子模型与采用经典模型解释色散现象的异同点是什么？量子模型是高级模型，为什么不淘汰经典模型？二、报告正文（一）描述正常色散、一般性吸收现象。
（1）色散同一光学介质，对不同波长光的折射率是不同的，也就是说，对于一枚镜头而言，不同色光的焦点位置实际上是不一样的。
介质的折射率随入射光频率的变化而变化的性质，称为“色散”。
而发生在物质透明区，随着频率的减小而减小的色散即为正常色散。
例如当白光通过三棱镜时，我们会看到七色光谱，这种复色光被分解为单色光的现象，即为“色散”。
红宝石晶体吸收谱线的测量
实验二红宝石晶体吸收光谱的测量一、实验目的由于固体激光器一般多采用光泵浦激励方式，这就要求激光工作物质的吸收光谱特性与泵浦光源的光谱相匹配，因此，了解激光工作物质的吸收谱特性是很必要的，本实验通过对红宝石晶体吸收光谱的测量，达到以下目的。
1．学会测量吸收光谱特性的方法；2．了解光栅单色仪的工作原理。
二、实验原理红宝石是掺有少量Cr的Al203单晶，Cr的外层电子组态为3d54S1，掺入Al203晶格后，失去外层三个电子，变成三价的C r3+离子，红宝石晶体的光谱就是C r3+离子在3d壳上三个电子发生能级跃迁的反映，人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知C r3+离子参与激光作用的能级结构图如图2-1所示，图中4A2是基态，2E能级（14400cm-1）是亚稳态，寿命比较长，约为3ms，4F1（25000cm-1）和4F2（17000cm-1）是两个吸收带，红宝石晶体的激光作用在2E和4A2能级之间产生，输出的波长是694.3nm，由于2E能级的电场分裂，在2E和4A2能级之间跃迁对应两条强荧光线R1和R2，R1线的波长是694.3nm，R2线的波长是692.9nm，由于高能级粒子数少于低能级，所以激光输出总是R1线。
红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同，吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性。
Cr 3+所吸收中心波长为410.0nm 的兰紫光而跃迁到强吸收带4F 1态，也能吸收波长为550.0nm 的黄绿光而跃迁到另一强吸收带4F 2态,这两个吸收带的带宽都在100.0nm 左右,与氙灯或汞弧灯的光谱匹配较好，所以红宝石激光器适宜于采用氙灯或汞弧灯泵浦。
由于红宝石晶体的各向异性，它的吸收特性与光的偏振状态有关，入射光的振动方向与晶体光轴相互垂直（E ⊥C ）或相互平行（E ∥C ），其吸收曲线稍有不同，如图2—2所示。
通常红宝石晶体中，其生长轴与光轴C 一致的叫0°晶体，生长轴与光轴C 相垂直的叫90º晶体,另外还有60º晶体,0º晶体发射无规律偏光，60º和90º晶体发射线偏振光。
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5.2 用单色仪测定介质的吸收曲线
【实验目的】
（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。
（3） 初步了解光电池的工作原理及其应用。
【实验原理】
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，
介质板光谱外透射率0
I I T T
=
， 介质的光谱透射率1
2
I I T i =
， i T 与λ的关系为透射曲线，在介质内部，d
i e T α-=，
α称为介质的线性吸收系数，与介质和入射光的波长都有关，α与波长的关系称为吸收曲线。
设在单一界面上的反射率为R ，则：
d
d
T e
R e R I I αα22201)1(----= d
d
T e
R e R I I T αα22201)1(----==∴ 用两块厚度分别为d1和d2，d2>d1的试样，光谱外透射率分别为T1和T2
)(222212122112)
1()1(d d d d d d e e R e e R e T T ------≈--=ααααα
122
1ln ln d d T T --=
∴α，1
2T T T i =
实验用光电池和微电流放大器测光强，1
2
n n T i =
，1221ln ln d d n n --=∴α。
【实验内容和步骤】
【单色仪的调节和波长示值的校准】
利用汞灯作光源校准单色仪波长示值
校准时，将单色仪的波长读数装置转到示值在577.0nm~579.1nm 之间的某一位置。
将汞灯放在入射狭缝前，狭缝S1、S2的宽度暂时调至约2mm 。
用眼睛迎着出射光方向观察S2上汞的黄色谱线（577.0nm 和579.1nm ），用显微镜对准出射狭缝，关小入射狭缝使两条谱线分开且直至谱线达到最细。
关小出射狭缝，同时微动手轮，使其中一条谱线始终在出射狭缝中间，使狭缝与谱线同宽，读出此时单色仪的示值。
转动手轮K 读下一条谱线，侧完汞灯谱线，检查测量值与标准值（435.8nm 、546.1nm 、577.0nm 、579.1nm ）之差，即仪器的系统误差，要求此偏差小于0.2nm
调节狭缝宽度
将单色仪的波长股轮转到示值在577.0nm~579.1nm 之间的某一位置。
将出射缝S2的宽度暂时调至约2mm 。
用眼睛迎着出射光方向观察S2上汞的两条黄谱线（577.0nm 和579.1nm ），用显微镜对准出射狭缝。
调节入射狭缝S1的宽度，直到两条黄谱线的像刚好被分开为止，此时入射狭缝宽度约0.8nm 。
再调节出射狭缝S2 的宽度，同时微调手轮K ，使出缝宽度与谱线宽度相同，此时出缝与入缝同宽，约0.8mm ，显微镜的读数每大隔0.5mm 。
溴钨灯光路调节
如图为单色仪聚光镜系统光路图，将光源聚焦成像在狭缝前。
聚光灯的通光孔径d=30mm ，焦距f=60mm ，单色仪球面镜的光阑宽度D=50mm 。
成像规律遵守高斯公式。
为使球面镜的孔径D 充分照明，两个相似三角形应有关系d/D=a/b 。
【测量钕玻璃在610.0nm~508.0nm范围内的吸收曲线】
用溴钨灯作光源并进行共轴调节，使外光路光轴与单色仪光轴重合，避免光线写入射造成光能损失。
手轮K调到610.0nm，用眼睛直接通过出缝S2观察溴镜像，在计算出的位置左右移动透镜，使透镜像位于狭缝中间，锁定透镜。
左右移动溴钨灯使透镜像全部变亮。
放上样品架B，即准无样品及薄、厚样品处于狭缝中间时的位置。
装上探测器，打开微电流放大器，微动溴钨灯，使微电流放大器显示值在170.0~190.0之间。
数据测量：
选定一片厚的钕玻璃片。
然后定性观察钕玻璃对不同波长的吸收情况，确定吸收峰的大致波长范围。
然后进行正式测量。
每隔1nm测一次，在吸收峰附近测量点应更密一些。
测量范围610.0nm~508.0nm
选择另一薄的钕玻璃片，在与厚玻璃片波长相对应的位置进行测量。
根据两组数据，求出钕玻璃的的吸收系数曲线。
实验时应注意：
（1）当波长读数装置出现99999时应停止转动调节手轮，否则会损坏仪器。
（2）两狭缝S1和S2的宽度最大不得超过3mm，也不得完全闭合，否则会损坏狭缝机构。
【实验预习数据计算】
由成像关系，有
-=
-
1
1-
1
x
+f
a
a/
/=
b
d
D
计算得
mm
x mm
a 90180==
【实验记录与误差分析】
1.单色仪的调节和波长示值的校准
故仪器系统偏差为0.1nm 。
1． 测量钕玻璃在610.0nm~508.0nm 范围内的吸收曲线
λ为波长，n1为0.8mm 玻璃板光强，n2为3.8mm 玻璃板光强。
无玻璃时微电流放大器示值=181.4
由1
22
1ln ln d d n n --=α关系求得α，并作吸收曲线如下图
吸收曲线λα~图
由图可求得两个峰值分别为573nm 和585nm ，考虑到系统误差，峰值应分别为573.1nm 和585.1nm 。
527.0 81.2 62.9 553.0 112.4 106.0 579.0 114.6 57.5 605.0 155.6 134.9 528.0 81.8 62.5 554.0 113.4 107.1 580.0 116.3 59.8 606.0 156.6 136.8 529.0 82.2 62.5 555.0 114.4 107.9 581.0 116.2 58.0 607.0 157.8 138.2 530.0 83.3 63.4 556.0 115.3 108.7 582.0 113.5 51.8 608.0 158.5 139.3 531.0 84.4 64.4 557.0 116.2 109.6 583.0 109.0 43.0 609.0 159.5 140.6 532.0 85.4 65.4 558.0 117.4 110.6 584.0 105.0 35.5 610.0 160.6 142.4 533.0 86.4 66.8 559.0 118.2 111.6 585.0 103.4
32.2
【思考题选答】
为什么要进行光源系统与单色仪光学系统共轴的调节？
答：用溴钨灯作光源并进行共轴调节，使外光路光轴与单色仪光轴重合，避免光线斜入射造成光能损失。