单色仪
单色仪的原理
单色仪的原理
单色仪是一种用于分析光谱的仪器，它能够将复杂的光信号分解成不同波长的单色光，从而帮助人们研究物质的成分和性质。
单色仪的原理主要基于光的色散和检测技术，下面我们将详细介绍单色仪的原理。
首先，单色仪的原理基于光的色散现象。
当白光通过单色仪的光栅或棱镜时，不同波长的光会按照其波长大小被分散成不同的方向。
这种色散现象使得单色仪能够将复杂的光信号分解成不同波长的单色光，为后续的光谱分析提供了基础。
其次，单色仪的原理还涉及到光的检测技术。
分解后的单色光会被接收器接收并转换成电信号，然后经过放大和处理，最终形成光谱图像。
通过对光谱图像的分析，人们可以得知物质的成分和性质，从而实现对物质的分析和检测。
除此之外，单色仪的原理还包括光路的设计和调节。
良好的光路设计能够保证光线的稳定传输和准确分解，而精确的光路调节则能够保证光谱的准确性和可靠性。
总的来说，单色仪的原理主要基于光的色散和检测技术，通过将复杂的光信号分解成单色光，并利用光的特性进行分析和检测，从而实现对物质的研究和应用。
这种原理不仅在科学研究领域有着重要的应用，还在工业生产和环境监测等领域发挥着重要作用。
综上所述，单色仪的原理是基于光的色散和检测技术，通过光路设计和调节，将复杂的光信号分解成单色光，并利用光谱分析技术进行物质的研究和应用。
这种原理的应用不仅在科学研究领域有着重要意义，还在工业生产和环境监测等领域发挥着重要作用。
希望本文能够对读者对单色仪的原理有所了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
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。
单色仪
单 色 仪 的 定 标Prism Monochrometer工作原理从照明系统发出的光束均匀地照亮入射狭缝1S ，1S 位于反射准直镜1M 的焦平面上，通过1S 射入的光束经1M 反射后成为平行光束投向平面反射镜M ，再被反射而进入色散棱镜P 。
如入射光为复色光，则通过棱镜后即按波长分解为不同折射角的单色平行光束，反射物镜2M 将这些单色平行光束汇聚于焦面上构成光谱，位于该焦面的出射狭缝2S 把谱线限制在一个狭窄的区域内，使只对色散棱镜构成最小偏向角的光束能够射出。
色散棱镜与平面反射镜的组合，称为瓦兹渥斯（Wadsworth ）色散系统，转动此系统，即可在出射狭缝2S 后面获得不同波长的单色光束，接收器（本实验用读数显微镜）即放置在出射狭缝的后面。
最小偏向角一束单色平行光，射入三棱镜的AB 面，经折射后由另一面AC 射出。
入射角i ，出射角i '，入射光与出射光的夹角β称为偏向角。
转动三棱镜，当i i '=时，根据折射定律可知，折射角γγ'=，与此相应的入射光和出射光之间的夹角最小，称为最小偏向角mi n β。
A C仪器使用说明1．单色仪的定标：（1）在入射缝前放置汞灯，点亮汞灯以照射入射狭缝1S 。
为了充分利用进入单色仪的光能，光源应放置在入射准直系统1S 和1M 的光轴上。
为此，将如射狭缝和出射狭缝开大，将光源移至1S 前半米以外的位置，从出射狭缝处朝单色仪内观察，可看见光源的清晰像，调节光源的位置，使光源的像正好位于2M 的中央。
减小入射缝宽到50m ，再在光源与入射缝之间加入聚光透镜，移动聚光透镜，使光源成像于狭缝1S 上。
至此，光源调整完毕。
（2）将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝2S 的刀口进行调焦，使显微镜视场中观察到的汞谱线最清晰。
为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝1S 尽可能小，出射缝2S 可适当大些。
转动单色仪鼓轮，根据可见光区汞灯主要谱线的波长和相对强度辨认谱线。
14-单色仪的应用
实验十四 单色仪的应用单色仪是将光源发出的复色光用色散元件把它分解为单色光的仪器，这种仪器可用于各种光谱特性的研究：如测量介质的光谱透射率曲线，光源光谱的光强分布、光电探测元件的光谱响应等等。
在实验室中常用到的单色仪基本有二类，一类是透射式单色仪，如图1所示，这种单色仪的入射光和出射光恒成90°夹角。
成像系统由透镜组成，常用于可见光范围，它的优点是聚光本领强；另一类是反射式单色仪，如图2所示，这种单色仪入射光与出射光夹角为 122，成像系统由反射镜组成，它的优点是使用范围大，只要置换不同的棱镜，使用范围可以从紫外光一直到红外光，本实验所用的正是此类单色仪。
【实验目的】1． 了解单色仪的结构和原理，学会正确使用的方法。
2． 以高压汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区域进行定标。
3． 测定汞灯谱线的光强分布。
【实验原理】反射式棱镜单色仪外形为一圆盘（如图2）它主要有三部分组成：①入射缝1S 和凹面镜1M ，组成了入射系统，以产生平行光；②平面镜2M 和棱镜P 组成色散系统； ③凹面镜3M 和出射缝2S 组成聚光出射系统 ，它将棱镜分出的单色平行光由3M 汇聚在出射缝2S 上。
图中平面镜2M 和棱镜P 所放的位置，对以最小偏向角通过棱镜的平行光束而言，可使入射到2M 的光束与从棱镜出射的光束平行。
这样，以最小偏向角通过棱镜某波长的光，经3M 反射后恰恰成像在出射缝处。
因此，只要1S 和1M 保持不变的情况下，当棱镜P 和反射镜2M 同步转动时，对应于最小偏向角的光的波长也跟着改变，出射缝2S 就有不同波长的单色光射出。
由于光束以最小偏向角通过棱镜，所以光缝单色像的像差最小。
出射的光束单色性好。
而棱镜P 和平面镜2M 的转动机构与仪器下部的转动轴杆鼓轮相连，鼓轮上刻有均匀的分度线，因而出射波长 与鼓轮读数R 相对应。
单色仪出厂时有对应（定标）曲线的数据。
但经过一段时间使用后，定标会有所漂移。
14-单色仪的应用
实验十四 单色仪的应用单色仪是将光源发出的复色光用色散元件把它分解为单色光的仪器，这种仪器可用于各种光谱特性的研究：如测量介质的光谱透射率曲线，光源光谱的光强分布、光电探测元件的光谱响应等等。
在实验室中常用到的单色仪基本有二类，一类是透射式单色仪，如图1所示，这种单色仪的入射光和出射光恒成90°夹角。
成像系统由透镜组成，常用于可见光范围，它的优点是聚光本领强；另一类是反射式单色仪，如图2所示，这种单色仪入射光与出射光夹角为 122，成像系统由反射镜组成，它的优点是使用范围大，只要置换不同的棱镜，使用范围可以从紫外光一直到红外光，本实验所用的正是此类单色仪。
【实验目的】1． 了解单色仪的结构和原理，学会正确使用的方法。
2． 以高压汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区域进行定标。
3． 测定汞灯谱线的光强分布。
【实验原理】反射式棱镜单色仪外形为一圆盘（如图2）它主要有三部分组成：①入射缝1S 和凹面镜1M ，组成了入射系统，以产生平行光；②平面镜2M 和棱镜P 组成色散系统； ③凹面镜3M 和出射缝2S 组成聚光出射系统 ，它将棱镜分出的单色平行光由3M 汇聚在出射缝2S 上。
图中平面镜2M 和棱镜P 所放的位置，对以最小偏向角通过棱镜的平行光束而言，可使入射到2M 的光束与从棱镜出射的光束平行。
这样，以最小偏向角通过棱镜某波长的光，经3M 反射后恰恰成像在出射缝处。
因此，只要1S 和1M 保持不变的情况下，当棱镜P 和反射镜2M 同步转动时，对应于最小偏向角的光的波长也跟着改变，出射缝2S 就有不同波长的单色光射出。
由于光束以最小偏向角通过棱镜，所以光缝单色像的像差最小。
出射的光束单色性好。
而棱镜P 和平面镜2M 的转动机构与仪器下部的转动轴杆鼓轮相连，鼓轮上刻有均匀的分度线，因而出射波长 与鼓轮读数R 相对应。
单色仪出厂时有对应（定标）曲线的数据。
但经过一段时间使用后，定标会有所漂移。
单色仪的定标
数据处理
∴以光谱线波长λ为横坐标, 滚轮读数L 为纵坐标画曲线, 即能得到单色仪的定标曲线
单色仪的定标和分光计的应用
实验要求: 如何用分光计和三棱镜来实现单色仪的全部功能。
设计具体操作步骤, 例如三棱镜应该如何摆放。
写出操作指南, 别人按照指南可重复你的结果, 同时利用定标后的分光计可测量任意光源的波长（要求: 当仪器调好, 用望远镜观察时, 除了水平转动远镜外, 不可以进行其它调节）
三棱镜摆放：在调节好平台和望远镜后, 将三棱镜放上小平台。
在望远镜中观察到光线后, 将光线向右调节, 找到第一条黄线的最小偏向角, 在这个临界位置开始读数。
实验数据记录
转化为小数后计算其根据该公式计算其夹角
所以根据其波长和角度进行定标
()()()
1211
22ϕϕϕϕϕϕϕII I II I ⎡⎤
''=+=-+-⎢⎥⎣
⎦。
单色仪定标实验报告
单色仪定标实验报告实验目的，通过单色仪定标实验，掌握单色仪的使用方法，了解光的色散规律，掌握用单色仪测定光的波长的方法。
实验仪器，单色仪、汞灯、钠灯、氢灯、汞镁灯、透射光栅、测微目镜、波长计。
实验原理，单色仪是一种用来分离和测定光谱的仪器。
当白光通过单色仪时，不同波长的光被分散成不同的角度，形成光谱。
利用透射光栅，可以将光谱中的各个波长分离开来，然后用测微目镜和波长计来测定各个波长的位置，从而得到光的波长。
实验步骤：1. 调整单色仪，将单色仪放在实验台上，调整仪器使得入射光垂直射入单色仪的入射口，并使得出射光垂直射向透射光栅。
2. 测定汞灯谱线，打开汞灯，调整单色仪使得汞灯的光谱线通过透射光栅，用测微目镜和波长计测定各个谱线的波长。
3. 测定钠灯谱线，同样的方法，测定钠灯的光谱线的波长。
4. 测定氢灯谱线，同样的方法，测定氢灯的光谱线的波长。
5. 测定汞镁灯谱线，同样的方法，测定汞镁灯的光谱线的波长。
实验结果：汞灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 450 波长 579.1nm。
谱线2，位置 550 波长 576.9nm。
谱线4，位置 750 波长 491.6nm。
谱线5，位置 850 波长 435.8nm。
钠灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 460 波长 590.0nm。
谱线2，位置 560 波长 589.4nm。
谱线3，位置 660 波长 588.9nm。
谱线4，位置 760 波长 587.1nm。
谱线5，位置 860 波长 589.6nm。
氢灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 470 波长 656.3nm。
谱线2，位置 570 波长 486.1nm。
谱线3，位置 670 波长 434.0nm。
谱线4，位置 770 波长 410.1nm。
谱线5，位置 870 波长 397.0nm。
汞镁灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 480 波长 435.8nm。
谱线2，位置 580 波长 404.7nm。
谱线3，位置 680 波长 365.0nm。
光谱仪、单色仪大全
器
型号
MonoRa-150i
MonoRa-200i
MonoRa-300i
MonoRa-500i
MonoRa-750i
焦距
150mm
200mm
300mm
500mm
750mm
分辨率(1)
0.2nm
0.18nm
0.09nm
0.05nm
0.025nm
光
光路设计
Czerny-Turner
Czerny-Turner
200-1100nm；
800-1700nm； 800-1900nm；
1um-5um
0.8-2.9um；
2-5um； 2-10.6um；
试 仪
400-1100nm；
300-1100nm；
800-2200nm； 800-2500nm
0.8-3.2um
2-12um； 2-26um；
器
常温或 TE2 制冷型可
号
焦距
160mm
200mm
300mm
处 理
分辨率
0.8nm
0.3nm
0.15nm
光谱范围
185-780nm
185-800nm
185-800nm
太
（根据光栅选择波段， （根据光栅选择波段， （根据光栅选择波段，
阳
最远可到 3000nm）
最远可到 3000nm）
最远可到 3000nm）
能
电
色散
9nm/mm
光
谱 仪
五、MonoRa 系列单色仪/影像光谱仪 Momochromator & Imaging Spectrograph
器
MonoRa 单色仪/影像光谱仪 Monochromator&Imaging Spectrograph
大学物理实验光栅单色仪
单色仪的分光系统—矩形光栅
1
入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：
2
d为光栅的周期，为衍射角
3
单缝衍射因子干涉因子 a为光栅透光部分的宽度，N为光栅的总周期数
单色光的光栅光强分布的曲线
透光缝宽:a=0.01mm 光栅周期:d=0.02mm 光栅的总条数:N=4
透光缝宽:a=0.01mm 光栅周期:d=0.03mm 光栅的总条数:N=100
单色仪的接收系统—光电倍增管
光电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。
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。
为光线的入射角
为光线的衍射角
b 光栅的闪耀角
单色仪说明
钠原子的光谱
• 光谱公式（里德堡常数R） • 主线系
589.0nm/589.6nm • 锐线系
616.0nm/615.4nm
• 漫线系 568.3nm/568.86nm 497.78nm/498.2nm
RR ( s) ( p)
R
R
( p) ( s)
R
R
(n ,)
( p) (n d)
s . p . d .
a为光栅透光部分的宽度，N为光栅的总周期数
d为光栅的周期，为衍射角
单色光的光栅光强分布的曲线
透光缝宽:a=0.01mm 光栅周期:d=0.02mm 光栅的总条数:N=4
透光缝宽:a=0.01mm 光栅周期:d=0.03mm 光栅的总条数:N=100
光栅方程式
描述各个干涉因子主极大的位置
d为光栅周期，为入射角，为衍射角，m为衍 射级次，为光的波长。
单色仪的调整和使用
单色仪的用途 光谱学发展史 单色仪的结构和原理 闪耀光栅的工作原理 单色仪的入射和出射狭缝 钠原子的量子亏损和里德堡常数
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。
b 光栅的闪耀角
角度的符号规定（顺 时针为正）
入射角与闪耀波长的关系
b nm, ,b .
几何光学的方向能量最大： b (b ) b
m=1
一级闪耀波长为
b
d(sin
sin( b
)
d=1/1200mm
5o， 10 o, 30o
b 587， 600.5， 606.3 (nm)
单色仪的定标
单色仪定标曲线的标定是借助于已知线光谱源进行，为了获得较多的点，必须要有一组光源，通常采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及用铜、铁、锌做电极的弧光光源等。
3．将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝 的刀口调焦，使显微镜视场中观察到的谱线最清晰。为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝 尽可能小，出射缝 可适当大些，根据可见光区汞灯主要谱线波长、颜色、相对强度和谱线间距辨认谱线。
4．使显微镜的十字叉丝先对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到谱线中心依次对准叉丝时，分别记录鼓轮读数（ ）和与其对应的谱线波长（ ），重复测量三次，取其平均值。
弱
612．33
弱
红色
623．44
中
深红色
671．62
中
690．72
中
实验注意事项
狭缝是单色仪的精密元件，要特别小心使用，旋转测微螺旋调整缝宽时，动作要慢，切勿使狭缝的二刀口相碰，即不允许使测微螺旋读数为小于零。
思考题
1．如果发现单色仪定标曲线上相对于已知波长 的鼓轮读数 偏离了 ，能否将原定标曲线平移 后继续使用，为什么？
色散棱镜 与平面反射镜 的组合，称为瓦兹渥斯色散系统（Wadsworth）。如图5.7-2所示，棱镜 和平面反射镜 安装在同一转台上一齐转动，转动的轴就是棱镜顶角等分面与底边的交线（通过 ，垂直于图面）。一般地， 上的入射光和经棱镜折射后的单色平行光之ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的夹角 为定值，且有关系式
在瓦兹渥斯色散装置中，由于 的反射面与棱镜顶角等分线相垂直，即 ，所以 ，因此满足最小偏向角的光线通过这种色散装置之后仍平行于原来的入射线，相互之间仅发生一定的平移。这样转动转台，当 角增大时波长短的单色光可以射出；当 角减小时波长长的单色光可以射出。棱镜转动的位置有鼓轮刻度标志，因每一鼓轮刻度都和一定的单色光的波长相对应，因而只要有了单色仪的定标曲线——鼓轮刻度与光谱波长之间的对应曲线（又称色散曲线）就可以从鼓轮读数确定出射光的波长。
单色仪的调整和使用课件
总结词
通过测量和分析光谱 ，了解物质的光学特 性和吸收、发射光谱 的规律。
准备实验器材
单色仪、光源、光谱 检测器、数据采集和 处理系统等。
调整单色仪
根据实验需求，调整 单色仪的狭缝宽度、 波长范围等参数。
测量光谱
使用光源照射待测物 质，通过光谱检测器 测量光谱数据。
分析光谱
对测量得到的光谱数 据进行处理和分析， 了解物质的光学特性 和光谱规律。
按照仪器说明书的要求，正确 连接电源，打开仪器开关。
观察和记录数据
将单色光投射到样品上，观察 并记录实验结果。
清洁仪器
使用适当的清洁剂和布料，对 仪器表面进行清洁，保持仪器 整洁。
常见问题与解决方案
波长不准确
可能是由于波长调节旋钮松动或 损坏，需要重新校准或更换部件
。
输出光斑不均匀
可能是由于反射镜或聚焦镜表面污 染，需要清洁相关镜面。
01
在开始调整单色仪之前，需要了解其基本原理和结构，包括光
学系统和机械结构，以确保调整的正确性和有效性。
检查单色仪的状态
02
在调整之前，应检查单色仪是否处于正常工作状态，包括检查
是否有损坏或磨损的部件，以及是否需要清洁光学表面。
准备必要的工具和材料
03
根据单色仪的调整需求，准备必要的工具和材料，如螺丝刀、
扳手、清洁剂等。
光学系统的调整
调整光学镜片的焦距
校准光学系统
通过微调光学镜片的相对位置，使光 线正确聚焦在输出平面上，确保单色 仪输出的光束质量。
通过校准光学系统，确保单色仪在各 个波长范围内都能输出稳定、准确的 光束，以满足使用要求。
调整光学镜片的倾斜度
为了消除光学畸变，需要调整光学镜 片的倾斜度，以确保输出的光束平行 且具有正确的光束形状。
单色仪测定硅光电池的方法
单色仪测定硅光电池的方法
单色仪是一种用于测量光的波长和强度的仪器，它可以被用来
测定硅光电池的性能。
测定硅光电池的方法通常包括以下几个步骤：
1. 样品准备，首先需要准备好要测试的硅光电池样品。
确保样
品表面干净，并且没有任何杂质或污垢。
2. 单色仪设置，将单色仪设置在合适的工作模式下，通常是选
择适当的波长范围和光谱分辨率。
确保单色仪的光源和检测器都处
于正常工作状态。
3. 光电池测试，将硅光电池样品放置在单色仪的测试台上，调
整光路使得光线正确定向光电池表面。
然后通过单色仪逐步改变波长，记录下每个波长下的光电池输出电压或电流。
4. 数据分析，将测得的光电池输出数据与波长进行对比分析，
得到硅光电池在不同波长下的光电转换效率和光谱响应特性。
这些
数据可以帮助评估硅光电池的性能和稳定性。
5. 结果解释，最后，根据数据分析的结果，可以对硅光电池的
性能进行评估和解释，以及为进一步的研究和改进提供参考。
总的来说，单色仪测定硅光电池的方法是通过测量不同波长下的光电池输出来评估其性能，这对于研究和优化硅光电池具有重要意义。
单色仪原理
单色仪原理及应用在科学研究、工业生产和医学诊断等领域，我们常常需要分析和测量光的性质和特性。
为了实现这一目标，单色仪作为一种重要的光学仪器应运而生。
本文将介绍单色仪的原理、工作方式以及其在不同领域的应用。
一、单色仪原理单色仪是一种用于将混合光分解成不同波长的光谱成分的仪器。
其主要原理基于光的色散现象，即不同波长的光在通过介质时会以不同的角度偏折。
最常见的单色仪是光栅单色仪。
光栅是一种具有周期性结构的光学元件，其表面由许多等间距的凹槽或凸起构成。
当光通过光栅时，由于不同波长的光会与光栅的周期相匹配，因此会在不同角度上产生衍射。
这样，单色仪利用光栅的色散特性，将输入的多色光分散成不同波长的单色光。
二、单色仪的工作方式单色仪通常由三个主要部分组成：入射口、光栅和出射口。
当光进入入射口后，首先会经过一个狭缝，以确保只有来自一个方向的光通过。
接下来，光线会被光栅衍射，根据不同波长的光在光栅上的偏折角度，分散成不同的光谱成分。
在单色仪中，可以通过调节入射角或光栅的位置来选择所需的特定波长。
一般情况下，单色仪会配备探测器来检测经过光栅衍射后的光信号，并将其转换为电信号进行进一步处理和分析。
三、单色仪的应用1. 光谱分析：单色仪在光谱学中起着关键作用。
它可以将光分解成不同波长的组分，从而帮助科学家分析物质的成分、结构和特性。
光谱分析广泛应用于化学、生物学、物理学等学科。
2. 光学研究：在光学研究中，单色仪用于研究光的衍射、干涉、偏振等现象，帮助深入理解光的性质和行为。
3. 光学通信：在光纤通信中，单色仪用于选择特定波长的光信号，以便进行多路复用和解复用，从而实现高速、高带宽的通信。
4. 材料分析：单色仪广泛应用于材料表征和分析，例如用于研究半导体材料的能带结构和光学特性。
5. 化学分析：单色仪在化学分析中可用于测定溶液中物质的浓度，根据溶液对特定波长的吸收情况，可以得到溶液中物质的浓度信息。
6. 医学诊断：在医学影像学中，单色仪可以用于测量X射线的波长，从而获得关于人体组织结构的信息，帮助医生进行诊断。
单色仪原理
单色仪原理单色仪是一种用于分离和测量光谱中不同波长光线的仪器，它在光谱分析和光学测量中起着非常重要的作用。
单色仪的原理是基于光的色散特性和光的衍射原理，通过一系列光学元件的作用，将多色光分离成单色光，以便进行精确的光谱分析和测量。
首先，让我们来看一下单色仪的基本构造。
单色仪通常由入射口、准直系统、色散元件、出射口等部分组成。
入射口用于接收光源发出的多色光，准直系统用于将入射光线整形成平行光束，色散元件用于分散光束中的不同波长光线，最后出射口用于输出单色光线。
通过这些部分的协同作用，单色仪可以实现对光谱的精确分析和测量。
其次，让我们来了解一下单色仪的工作原理。
当多色光线通过入射口进入单色仪后，准直系统将其整形成平行光束，然后经过色散元件的作用，不同波长的光线会按照其波长大小被分散开来，最终形成一条连续的光谱。
在这个过程中，色散元件起着至关重要的作用，它可以是棱镜、光栅或者衍射光栅等，通过其特殊的光学性质，将多色光线有效地分散开来。
最后，出射口会选择其中的某一条波长的光线输出，形成单色光。
通过调节色散元件的角度或者改变入射光线的角度，可以实现对不同波长光线的选择和输出，从而完成对光谱的分析和测量。
此外，单色仪还可以通过各种探测器来实现对单色光的测量和记录。
常见的探测器有光电倍增管、CCD阵列和光电二极管等，它们可以将单色光线转换成电信号，并进行信号放大、处理和记录，从而实现对光谱的精确测量和分析。
总的来说，单色仪通过光的色散特性和衍射原理，实现了对多色光的分离和测量。
它在光谱分析、光学测量和光谱成像等领域有着广泛的应用，是一种非常重要的光学仪器。
通过对单色仪的原理和工作过程的深入了解，可以更好地理解其在科研和工程应用中的作用，为相关领域的研究和实践提供有力支持。
单色仪的定标
随着棱镜台绕O轴转动，以最小偏向角通 过棱镜的光束的波长也跟着改变，当最小偏 向角由小变大时，从S2输出的单色光的波长将 依次由长变短．
单色仪能输出不同波长的单色光，是依 赖于棱镜台的转动才得实现．棱镜台的位置 是由鼓轮刻度标志的，而鼓轮刻度的每一数 值都和一定波长的单色光输出相对应。因此 必须制作单色仪的鼓轮读数和对应光波波长 的关系曲线——定标曲线(又称色散曲线)，一 旦鼓轮读数确定，便可从定标曲线上查知输 出单色光的中心波长．
3．将移测显微镜置于出射狭缝处，对出 射狭缝S2的刀口进行调焦，使显微镜视场中 观察到的汞谱线最清晰．为使谱线尽量最细 锐并有足够的亮度，应使入射缝S1尽可能小， 出射缝S2可适当大些．根据可见光区汞灯主 要谱线的波长、颜色、相对强度和谱线间距 辨认谱线．并选表1中打“*”者为定标谱 线．
4．使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝 的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到各谱线 中心依次对准显微镜的叉丝时，分别记下鼓 轮读数(L)与其所对应的波长(λ )，测量几 次，取其平均值。 5．以光谱线波长(λ )为横坐标，以鼓 轮读数(L)为纵坐标画曲线即得单色仪的定 标曲线． L
图２汞灯主要谱线的相对强度和波长
颜色
波长（nm） *404.66 *407.78 410.81 433.92 434.75 *435.84 *491.60 *496.03 535.41 536.51 *546.07 567.59 *576.96 *579.07 585.92 589.02 *607.26 *612.33 *623.44 *671.62 *690.72 708.19
0
λ
λ
第一次 第二次 第三次
404.66
407.78
435.84
491.6
单色仪的定标和滤光片光谱透射率的测定
1 §3.14 单色仪的定标和滤光片光谱透射率的测定 目的1．了解棱镜单色仪的构造原理和使用方法.2．以高压汞灯的主要谱线为基准,对单色仪在可见光区进行定标.3．测定滤光片的透射率曲线.仪器及用具反射式棱镜单色仪、稳压电源、溴钨灯、汞灯、硅光电池、光点检流计、读数显微镜、滤光片、会聚透镜、读数小灯等.实验原理1．单色仪的基本结构单色仪是一种分光仪器,它通过色散元件的分光作用,把一束复色光分解成它的“单色”组成.单色仪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.单色仪运用的光谱区很广,从紫外、可见、近红外一直到远红外.对于不同的光谱区域,一般需换用不同的棱镜或光栅.例如,用石英棱镜作为色散元件,则主要应用紫外光谱区,并需用光电倍增管作为探测器;若棱镜材料用NaCl (氯化钠)、LiF (氟化锂)或KBr (溴化钾)等,可运用于广阔的红外光谱区,用真空热电偶等作为光探测器.本实验所用国产WDF 型反射式单色仪,棱镜材料是重火石玻璃,仅适用于可见光区,用人眼或光电池作为光探测器. 图 3.14-1是反射式棱镜单色仪的光路图,它的光学系统主要由三部分组成：(1)入射准直部分由入射狭缝S 1和准直凹面反射镜M 1组成.(2)色散系统是仪器的核心部分,由固定在一起的平面反射镜M 2和三棱镜P 组成.它们置于色散工作台上,可一起绕O 轴转动,以保证在转动色散系统时,只有“以最小偏向角通过棱镜的那种波长的光”才能从S 2缝射出．(3)出射聚光系统由聚焦凹面反射镜M 3和出射狭缝S 2组成.光源发出的光经透镜L 照亮入射狭缝S 1,进入S 1后射向准直镜M 1,经M 1反射后成为平行光射向平面反射镜M 2,M 2反射后仍为平行光射向三棱镜P .由于棱镜的色散作用经棱镜折射后成为不同方向的平行光,各种不同波长的光束方向各不相同,波长长的偏向角小些,波长短的偏向角大些,同种波长的二束平行光沿着自己的方向进行,射到聚焦镜M 3上经反射后会聚于M 3焦面上的一点.由入射狭缝S 1上各点产生的同种波长但方向不同的平行光束会聚于M 3焦面上的不同点,所有这些点形成一条谱线.谱线即狭缝S 1的像.若光源包含多种波长成分,则在M 3的焦面上便获得很多谱线(也可以是连续的).出射狭缝S 2位于M 3的焦面上,因S 2较窄,于是落在S 2处的单色光就从狭缝射出了.在仪器的底部有读数鼓轮,它与万向接头转动杆及把手相连.当转动把手时,棱镜就图3.14-12转动,鼓轮读数反映了棱镜转动后的位置,从而也反映了出射光的波长.鼓轮旁有反光镜,便于读数.2．单色仪波长的定标单色仪的鼓轮读数R 与出射光的波长λ有一一对应关系.以R 为纵坐标,λ为横坐标,画出R —λ曲线,称为单色仪的校准曲线(又叫定标曲线).单色仪出厂时虽然附有校准曲线的数据或图表供查阅,但经过运输及长期使用或重新装调后,其数据会有偏离,因此需要重新标定,作出校准曲线,这样就可以由鼓轮读数得知出射光的波长,便于使用.单色仪定标是借助于一些波长已知的线状光谱的光源进行的.本实验选用汞灯作光源.实验时将汞灯的光照亮入射狭缝S 1,使其一些已知波长的光,依次先后从出射狭缝S 2射出,记下相应的鼓轮读数R ,便得到λ与R 的一一对应关系.3．物体的透光特性当波长为λ,光强为I 0 (λ)的单色光束垂直照射到透明物体上时,若透过物体的光强为I T (λ)则定义I T (λ)/I 0(λ)为该物体对此波长的光的透射率,即同一物体对不同波长的光的透射能力是不一样的,即T 是波长λ的函数.由于物体的吸收、表面的反射和散射等损失,所以物体实际的透光率总是小于l .若以白炽灯为光源,出射的单色光由光电池接收,用光点检流计显示其读数,则出射的单色光所产生的光电流i 0(λ)与入射光强I 0(λ)、单色仪的光谱透射率T 0(λ)和光电池的光谱灵敏度S (λ)成正比,即式中K 为比例系数.若将一光谱透射率为T (λ)的透明物体(滤光片)插入被测光路,则相应的光电流可表示为由(3.14-2)和(3.14-3),得 本实验要求用单色仪测定滤光片的光谱透射率T (λ),作出T (λ)—λ曲线,并求出光谱透射率的半宽度(透射率降到最大值的一半的波长范围∆λ).实验内容1．定标单色仪在可见光区定标,光路图如图3.14-2所示.(1)光路调节:点亮汞灯,先不放透镜L ,使汞灯发光体中部与入射缝S 1大致对正,将入射缝S 1和出射缝S 2开大(如S 1≈0.5mm ,S 2≈2mm ,注意顺时针旋转为打开狭缝)用眼睛从出射缝S 2处向单色仪内观察,适当转动鼓轮,可清楚看见光源的不同颜色光的像.调节光源的高低和左右,使光源的像正好位于聚焦物镜M 3的中央.将S 1缝宽减小到0.1mm 左右,在光源与S 1缝之间加入聚光透镜L ,使光源经L 在S 1处成像.）（）（）（）（114.30-=λλλI I T T )214.3()()()()(000-=λλλλS T KI i )314.3()()()()()()()()(000-==λλλλλλλλS T T KI S T KI i T T )414.3()()(00-==λλλλλi i I I T T T ）（）（）（图3.14-2(2)调显微镜:在出射缝S2后面水平放置读数显微镜,使显微镜对S2缝的刀口调焦.调节显微镜的叉丝对准出射缝S2的中心位置.注意调好后的显微镜位置不能再移动了．(3)调节缝宽：调S1的缝宽,使汞灯的579.07nm与576.96nm两条黄谱线能明显分开.为使谱线细锐并有适当的亮度,入射缝S1的宽度一般不大于0.lmm.而出射缝S2可开得宽些(如2mm左右),以便能同时看到二至四条谱线.(4)识别谱线:在正式测定校准曲线之前,要先定性观察全过程,以识别谱线,即转动鼓轮,从红光到紫光再从紫光到红光,观察汞灯的所有谱线,认准谱线(对照表l，从谱线的颜色、强弱、谱线间距等方面去识别).(5)测量:以显微镜的叉丝交点为标准,缓慢转动鼓轮(应向一个方向转动,例如从红光到紫光),使汞灯的各条谱线中心依次对准叉丝交点,分别记下鼓轮读数R和它所对应的已知波长λ.以鼓轮读数R为纵坐标,以谱线波长λ为横坐标,在坐标纸上画曲线,便得到单色仪的校准曲线R-λ.2．测定滤光片的T—λ曲线(选作)在可见光区测定,用溴钨灯做光源,用光电池和光点检流计组成的光电接收器来测量相对光强.在单色仪定标的基础上,测定滤光片的T—λ曲线.(1)将光电接收器套在出射缝S2处,检流计选取合适的量程,并调好检流计的零点.(2)将光源换成溴钨灯,电流暂取4A,调溴钨灯使其经透镜L在S1处成像.转动鼓轮,观察检流计偏转格数随波长变化的情况,使鼓轮停在检流计偏转最大的波长位置处,逐步增大溴钨灯的电流,使检流计偏转较大(如100格左右),注意溴钨灯的电流不得超过其额定值5A.(3)选测量点:将滤光片插入光路,转动鼓轮,观察滤光片对不同波长的透光情况,考虑选取哪些点进行测量.在弱吸收附近.测量点可少一些,在强吸收附近,测量点要密些.(4)测量:将鼓轮R沿一个方向(例如从红光到紫光)旋到适当位置,记录光点检流计偏转格数i0(λ),对再加上滤光片,记录光点检流计偏转的格数i T.(5)作T(λ)—λ曲线.为了简便,可使T(λ)—λ曲线与R-λ校准曲线做在同一张大小合适的坐标纸上.(6)根据T(λ)—λ曲线计算中心波长λ0及半宽度∆λ的值.思考题1．对单色仪定标的目的是什么？2．从单色仪出射狭缝S2射出的光是真正的“单色光”吗？3．试比较分光计、单色仪、棱镜摄谱仪的异同点.3。
滤波片式单色仪原理
滤波片式单色仪原理
滤波片式单色仪是一种常见的光谱仪器，用于测量光的波长和光强，以及进行波长选择。
其工作原理基于滤波片的光谱选择特性。
滤波片式单色仪通常由以下几个主要部分组成：
1.滤波片：滤波片是单色仪的关键元件，根据波长选择的需求，采用不同的滤波片。
滤波片具有特定的光学特性，只允许特定波长范围内的光通过，同时阻挡其他波长的光。
2.光源：用于产生光的光源，在单色仪中通常使用白光源，如白炽灯或氙灯。
光源发出的光经过滤波片后，只有被滤波片允许通过的波长的光可以进入下一步的检测。
3.入射孔和出射孔：入射孔用于接收光源发出的光，而出射孔则用于检测或传输经过滤波片选择的光。
滤波片式单色仪的工作原理如下：
1.光源发出的光经过入射孔进入单色仪，并通过滤波片。
2.滤波片只允许特定波长范围内的光通过，其它波长的光被滤除或吸收。
3.经过滤波片选择的光通过出射孔，进入光电传感器或检测器。
4.光电传感器或检测器测量经过滤波片选择的光的光强，并将其转换为电信号。
通过调节滤波片，可以改变被选择的波长范围，从而实现对不同波长光的选择和测量。
此外，滤波片式单色仪通常还可以采用旋转滤波片的方式，通过选择不同的滤波片来改变被选择的波长范围，从而实现多波长测量。
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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。
缝宽的选择，一方面使缝宽尽可能窄，使相邻两波尽可能分开，另一方面，缝的宽度又不能太小，否则出射的单色光的强度变得太小，而无法探测到。
一般要求出射狭缝宽等于入射缝宽，本仪器出入狭缝均为两档，狭缝分别为0.15mm、0.3mm 输出的单色光谱波长，从波长鼓轮直接读取，至于缝宽究竟选择多少，则要根据光强的强弱和接收器的灵敏度来决定。
实验一单色仪的定标
单色仪出厂时，一般都附有定标曲线的数据或图表供查阅，但经过长期使用或重新装调后，数据会发生变化，需重新定标，以对原数据进行修正。
单色仪的定标是借助于波长已知的线光谱以获取对应的鼓轮读数。
为了获得较多的点，必须有一组光源。
通常采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及用铜、锌、铁做电极的弧光光源等。
本实验选用汞灯作为已知线光谱的光源，在可见光区域（400nm—760nm）进行定标。
在可见光波段，汞灯主要谱线的相对强度和波长如图2及表1所示。
表1 汞灯主要谱线波长表
颜色波长／nm 强度
紫色 *404.66
407.78
410.81
433.92
434.75
*435.84
强
中
弱
弱
中
强
蓝绿色 *491.60
496.03
496.03 强中中
绿色 535.41
536.51
*546.07
567.59
弱
弱
强
弱
黄色 *576.96
579.07
585.92
589.02
强
强
弱
弱
橙色 607.26
612.33 弱弱
红色 623.44 中
深红色 671.62
690.72
708.19
中
中
弱
【实验内容】
1．观察入射狭缝和出射狭缝的结构，了解缝宽的调节、读数以及狭缝使用时的注意事项，选取适当的缝宽以获取足够的强度及较好的单色性。
2．在入射狭缝前放置汞灯，为了充分利用进入单色仪的光能，光源应放置在入射准直系统（S1和M1）的光轴上。
再在光源与入射缝之间加入聚光透镜，适当选择透镜的焦距和口径，使其相对口径与仪器的相对口径匹配。
这样，可获得最大亮度的出射谱线，同时又减少了仪器内部的杂散光。
调节聚光透镜的位置，使出射狭缝呈现的谱线最明亮。
3．将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝进行调焦，使显微镜视场中观察到的汞谱线最清晰。
为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝S1尽可能小，出射狭缝可适当大些。
根据可见光区汞灯主要谱线的波长、颜色、相对强度和谱线间距辨认谱线。
并选表1中打“*”者为定标谱线。
4．使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到各谱线中心
依次对准显微镜的叉丝时，分别记下鼓轮读数（L）与其所对应的波长（λ）。
为了避免回程差，应采用从紫光到红光（或相反）的过程，重复测量几次，取其平均值。
5．以光谱线波长（λ）为横坐标，鼓轮读数（L）为纵坐标画曲线，即能得到单色仪的定标曲线。
实验二用单色仪测定滤光片的中心波长
卤素灯所产生的光谱为连续光谱，我们可以用小型单色仪很容易的测出它的波长分布。
在有些情况下我们需要各种波长的光线来完成某些特定工作和研究。
干涉滤光片可以帮助解决这一问题。
干涉滤光片是利用干涉原理只使特定光谱范围的光通过的光学薄膜。
通常由多层薄膜构成。
干涉滤光片种类繁多，用途不一，常见干涉滤光片分截止滤光片和带通滤光片两类。
截止滤光片能把光谱范围分成两个区，一个区中的光不能通过(截止区)，而另一区中的光能充分通过（通带区）。
典型的截止滤光片有低通滤光片（只允许长波光通过）和高通滤光片（只允许短波光通过），它们均为多层介质膜，具有由高折射率层和低折射率层交替构成的周期性结构。
【实验内容】
1．观察入射狭缝和出射狭缝的结构，了解缝宽的调节、读数以及狭缝使用时的注意事项，选取适当的缝宽以获取足够的强度及较好的单色性。
2．将入射狭缝前的卤素灯灯打开，将亮度调到最大，使出射狭缝呈现的谱线最明亮。
3．将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝进行调焦，使显微镜视场中观察到谱线最清晰。
为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝S1尽可能小，出射狭缝可适当大些。
4．使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到各谱线中心依次对准显微镜的叉丝时，分别记下鼓轮读数（L）的初始位置和结束位置与其所对应的波
长（ ）。
5.将干涉滤光片放在单色仪前面，用单色仪测量中心波长。
思考题
1.为什么要对单色仪定标？怎样进行定标？
2.滤光片的作用是什么？你了解和做过的物理实验那个用到滤光片了？具体作用？
3.如何测量发光二极管的光谱特性？。