单色仪(北京科技大学物理实验报告)

北京科技大学实验报告

单色仪

实验目的：

(1)了解单色仪的结构原理，学会使用平面光栅单色仪。

(2)测量平面光栅单色仪的分辨本领。

(3)利用单色仪测量干涉滤光片的光谱透射率曲线。

实验仪器：

平面光栅单色仪、汞灯、钨灯、聚光灯、测试仪、光电倍增管、干涉滤光片等。

实验原理：

1.平面光栅单色仪的结构原理

光学系统主要由以下三部分组成：

（1）入射准直部分由入射狭缝S1和抛物凹面镜M1组成，用以产生适用于光栅衍射的平行光束。

（2）色散系统平面光栅G构成色散系统，达到分光以后产生各种波长单色光的要求。

（3）出射聚焦系统由抛物凹面反射镜M1、平面反射镜M2和狭缝S2组成。由光栅色散系统产生的单色光经由M1和M2反射作用后会聚至出射狭缝S2，产生窄光束的单色光。

2. 单色仪主机电路

仪器主机内主要是步进电动机信号发生器电路，用来控制步进电动机的转动。

3.光电倍增管及测光仪

广电倍增管是把微弱的输入光转换成电子，并使电子数获得倍增的电真空器件。当光信号强度发生变化时，阴极发射出的光电子数发生相应的变化，由于各倍增极因子基本保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化。

4.滤光片

滤光片对不同波长的投射能力不一样。当波长为λ，光强I0(λ)的单色光垂入射在滤光片上时，透过滤光片的光强若为I T(λ)，我们定义其光谱透射率为

若以白光为光源，出舍得单色光所产生的光电流与入射光光强、单色仪的光

谱透射率和光电器件的光谱响应率成正比，即：

现将光谱投射仪为的滤光片插入光路，放置在入射狭缝之前，在光电流变为：

所以：

实验内容与测量：

1．分辨能力的测量：分辨能力的测量只涉及汞灯的两条黄谱线，因此，应该从两谱线的外侧开始扫描，途径两谱线的峰值，终止与另一谱线的外侧外侧。

2．测量滤光片的透射率：不加滤光片，开启扫描开关，从280nm开始正向自动扫描，至660nm止，观察光强的最大值在哪一波长附近，大小如何。如果光强值不符合要求，扫描至光强最大值的附近，进行适当的调节，是的最大光强接近100。

1.分辨能力的计算

光强随波长的变化关系表

波长/nm 光强波长/nm 光强波长/nm 光强576.4 -1 578 1 579.6 303 576.5 -1 578.1 0 579.7 329 576.6 -1 578.2 0 579.8 324 576.7 -1 578.3 0 579.9 166 576.8 -1 578.4 0 580 18 576.9 0 578.5 0 580.1 2 577 0 578.6 0 580.2 1 577.1 2 578.7 0 580.3 0 577.2 5 578.8 0 580.4 0 577.3 32 578.9 0 580.5 0 577.4 218 579 1 580.6 0 577.5 319 579.1 2 580.7 0 577.6 334 579.2 3 580.8 0 577.7 317 579.3 6 580.9 0 577.8 114 579.4 20 581 0 577.9 7 579.5 155 581.1 0

读图可知：a=579.72-577.60=2.12nm

b=577.68-577.39=0.29nm 由公式：

式中，取2.1nm。

可得：

故该系统的分辨能力为：0.287nm 2.计算滤光片的折射率。

λ/nm

未放滤光

片

放了滤光

片T(λ) λ/nm

未放滤光

片

放了滤光

片T(λ) 280 6 0 0. 0.405 300 6 0 0. 0.352 320 7 0 0. 0.290 340 8 1 0.125 470 171 27 0.158 350 10 2 0.200 480 189 11 0.058 360 12 4 0.333 500 221 2 0.009 370 17 7 0.412 520 237 1 0.004 390 28 17 0.607 540 249 1 0.004 400 38 24 0.632 560 257 1 0.004 410 51 32 0.627 580 255 1 0.004 420 67 41 0.612 600 247 1 0.004 430 83 48 0.578 620 234 1 0.004 435 95 51 0.537 640 207 1 0.005 440 108 54 0.500 660 178 1 0.006

445 121 55 0.455

表中T(λ)的计算公式为：

在实际测量过程中，没有光照射时的光电流为-3uA，上表中的数据时经过修正以后得到数据。可得到如下的透射率曲线：

由图可知，中心波长:

通带半宽度:

峰值透射率:

该滤光片更适合透过波长400nm左右的光。由于通带半宽度为100nm左右，所以该滤光片的单色性不好。

实验总结：

1.分光系统既有优点同时也有缺点。系统通过入射部分、色散系统、出射聚焦系统这三部

分把不同频率的光分开，实现了对光的分解，此为它的优点。在它分解光的时候由于自身分辨本领的限制，因而对于光波长差别不大的两束光的分辨能力较差。

2.对于汞灯我们可以从图像中得知，辐射出的两种频率光的强度差别不大，而在此两束光

之间的频率部分不存在其它光的辐射。这就说明了汞灯中的汞蒸气的电子在跃迁的时候会辐射出上述的两种光子，但是不会产生在这两种光子频率之间的其它光子。

3.滤光片对自然光的过滤左右不能得到单色光，因而不能作为分光仪器来使用。但是如果

我们对于光的频率有一定的要求，又不太苛刻，我们仍然能选用通带半宽度适合的滤光片。

4.在数据处理时要注意测量的初始误差，修正数据以后才能进行其它的处理，否则处理结

果可能出错。