单色仪的定标和光谱测量

光栅单色仪的定标和光谱测量一、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。

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。

从图7可知，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。

当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。

如果S2出射狭缝位置连接信号接收设备（光电倍增管/CCD ，），则可对出射光谱进行数据采集分析（部分内容请参考《大学物理实验》第二册中的“单色仪的使用和调整” ）。

本实验使用的仪器：WDS-8型组合式多功能光栅光谱仪，焦距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 。

图7 光栅单色仪的结构和原理四、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，锐线系的616.0 nm和615.4 nm以及漫线系的两对谱线568.3 nm和568.86 nm，497.78 nm和498.2 nm。

在实验报告处理时可由原子物理的知识可以计算求出钠的里德伯常数R。

（2）：高压汞灯光谱测量光源：高压汞灯要求设计和调整光路采用透镜聚焦法把光导入入射狭缝，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高压汞灯的各个分立峰的的光谱曲线。

并记录负高压值和保存光谱曲线。

（3）：红宝石晶体的发射和吸收光谱的测量光源：氦氖激光器（632.8 nm），半导体激光器（650 nm），高压汞灯，溴钨灯（360-2500 nm），532 nm激光器红宝石是掺有少量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（14400 cm-1）是亚稳态，寿命比较长，约为3ms，4F1（25000 cm-1）和4F2（17000 cm-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694.3 nm，R2线的波长是692.8 nm，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。

Cr3+所吸收中心波长为410.0 nm的兰紫光而跃迁到强吸收带4F1态，也能吸收波长为550.0 nm的黄绿光而跃迁到另一强吸收带4F2态,这两个吸收带的带宽都在100.0 nm左右,与氙灯或汞弧灯的光谱匹配较好。

要求自己设计和调整光路，并选取合理的负高压值，测量出红宝石的发射光谱和吸收光谱。

实验报告中要求分析红宝石晶体的发光原理以及应用。

（4）：滤光片的吸收曲线测量光源：溴钨灯（360-2500 nm）要求设计和调整光路，并在光路中插入滤光片，选取合适的负高压值，测量其吸收曲线。

实验报告中要求分析滤光片的性能和吸光特性。

（5）：罗丹明6G溶液的发射和吸收光谱测量光源：溴钨灯（360-2500 nm）532 nm激光器实验使用的激光染料晶体罗丹明6G的水溶液和乙醇溶液（5x10-3M），采用比色皿作为样品池。

要求设计和调整光路，并在光路中插入样品池，选取合适的负高压值，测量其吸收曲线。

实验报告中要求分析滤光片的性能和吸光特性。

（6）：LED灯的光谱测量光源：LED灯要求设计和调整光路，采用透镜聚焦方法，选取合适的负高压值，测量其光谱曲线。

实验报告中要求分析LED灯的发光的工作原理和应用。

五、实验数据1）光栅单色仪的定标及里德伯常数的计算实验测得Na有三个谱线系，其波长、半峰宽度和分辨本领分别为● 主线系589.000 nm/589.612 nm ，半峰宽度分别为：0.233nm ，0.225nm 分辨本领λλ∆为2528，2620 ● 锐线系616.138 nm/615.475 nm ，半峰宽度分别为：0.246nm ，0.246nm 分辨本领λλ∆为 2505，2502 ● 漫线系568.287 nm/568.838 nm 半峰宽度分别为：0.258nm ，0.233nm 分辨本领λλ∆为2203，2441 498.000 nm/498.425 nm 半峰宽度分别为：0.288nm ，0.255nm 分辨本领λλ∆为1729，1955 根据对应公式计算里德伯常数（波长取平均值)： ● 主线系()()22133s p R R λ=--∆-∆()()-17122111 1.141033s p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭ ● 锐线系()()22153s p RR λ=--∆-∆()()-17122111 1.131053s p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭ ● 漫线系()()2213d p RR n λ=--∆-∆，n=4,5()()-171122111 1.131043d p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭ ()()71222111 1.131053d p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭其中 1.35s ∆=，0.86p ∆=，0.01d ∆=理论值十分稳定，但与实际的711.096775810R m -=⨯仍有一定差距，故推理应该是公式的误差造成的。

2） 滤光片的吸收曲线测量上图是钨光灯的光谱图光路中加上蓝色滤光片后的光谱图为：可以看出在约530nm-690nm 之间的吸收率很大，几乎被完全吸收说明蓝色滤光片对不同波长的光的吸收系数是不同的。

其吸收曲线为：波长小于530nm时，光的能量过大，吸收效果几乎没有。

在波长位于530nm到690nm之间时，光的能量正好使滤光片中原子的电子发生跃迁，而且能量都足以激发基态原子，所以吸收系数很大。

到了大于690nm之后，光子能量不大，但是只能被非基态的原子吸收，所以虽有吸收，但吸收系数很小。

3）红宝石晶体的发射和吸收光谱的测量红宝石晶体的光谱就是C r 3+离子在3d 壳上三个电子发生能级跃迁的反映，图中两个波长的产生是由于发生了能级的分裂。

六、思考题1．如何求出入射狭缝的最佳宽度？答：缝宽增大时光的相干性降低，同时光强增大；反之，相干性提高则光强会减弱。

故狭缝则宽度要同时考虑到相干性要好，同时光强要足够大。

2．单色仪的理论分辨本领如何计算？怎样测量单色仪的实际分辨本领？ 答：理论分辨本领为N m λλ=⋅∆，实际分辨本领可以通过单色仪对一定波长差的光的分辨进行测量。

将一束具有波长差的光束射入单色仪，并进行光谱扫描，对其图像进行观察。

如果仍然可以分辨出两束具有不同波长的光的波峰波谷，则分辨率将大于此。

不断换上波长差较小的光束，知道从图像中观察不到波峰波谷为止，此时有δλλ=∆，即为最小分辨波长差。

或者通过测量一定固定波长λ的光，测量其半峰宽度λ∆，利用公式λλ∆求得分辨本领3．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。

答：实验发现，实际分辨本领远远小于理论分辨本领1，狭缝宽度会影响光的空间相干性（横向），而理论分辨本领只考虑了时间相干性（纵向），所以理论分辨本领将会比实际大一些。

2，由光电倍增管放大的不均匀性，可能会形成误差。

3，光栅的刻度的准确性。

4，我们在计算理论但分辨能力假设的是标准的单色光光源，而这是理想情况，故也有光源本身的单色性问题。

4. 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？答：负高压增大时，对信号的放大也就大，因此采集灵敏度会提高5. 说明溴钨灯、钠灯和汞灯的光谱的区别和道理？答：三种灯的发光机理都大致相同，都是通过原子的激发，但是由于原子的结构不同，其各个能级的能量也就不同，发出的光的波长也就会不同。

七、实验思考与小结1.测量光谱时发现，原本应该是一条谱线的地方都变成了很接近的两条谱线，查阅相关资料发现，由于这些原子的结构已没有氢原子那么简单，会发生能级分裂，即塞曼效应。

原理是原子磁矩和外加磁场作用的结果。

计算中取了两者的平均值；2.实验中测量光谱时，图像经常会发生一些剧烈的抖动，这是干扰的结果，因此实验中需要关灯，并且尽量不去干扰光源发出的光，或是挡住一些外来的光，毕竟任何发射或是折射被接受的光都是干扰；3.实验中的光电倍增管的负高压不可调至过大，否则容易烧坏仪器；4.使用单色仪之前都需要复位与定标；5.对于钠光源和钨光源，需要仔细调整光路是射入狭缝的光强尽可能大，否则Na光的锐线系和漫线系比较难发现和测量；6.同时光源不可距离接收端太近，虽然或许能在一定程度上增大光强，但由于光源表面的形状和发光机制，光源的相干性就会降低。