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。

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