(完整版)单色仪的定标和光谱测量
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b
m=1 一级闪耀波长为
d=1/1200mm
b d(sin sin(b ) 5o， 10 o, 30o
b 587， 600.5， 606.3 (nm)
凹 面 平 场 光 栅
入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：
I
I
0
(
sin
)2
(
sin N N sin
)2
单缝衍射因பைடு நூலகம்干涉因子
a sin
d sin
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
三级物理实验
单色仪的定标和光谱测量
Monochromator Experiments
内容简介
单色仪的用途 光谱学发展史简介 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 钠灯、He-Ne激光器、ＬＥＤ灯、汞灯的光谱测量 滤光片的吸收特性光谱测量 红宝石吸收和发射光谱测量， 罗丹明6G 溶液的发光和吸收光谱测量 附录
B/I DD
13 x 13 µm
Key: F/I = Front Illuminated - B/I = Back Illuminated = DD - Deep Depletion
Peak QE 95% 45% 95% 98%
量 子 效 率
CCD图像与真空窗透过率
单色仪的分光系统—光栅
矩 形 光 栅
光栅与棱镜相比
优点
棱镜的工作光谱区受到 材料的限制（光的波长 小于120nm，大于 50m时不能用)
光栅的角色散率与波长 无关，棱镜的角色散率 与波长有关。
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。
缺点
光栅存在光谱重叠问题而 棱镜没有。
光栅存在鬼线（由于刻划 误差造成）而棱镜没有。
CCD参数
Model
Imaging Array Sensor Type Pixel Size
512B_eXcelon
512x512
B/I
24 x 24 µm
1024F
1024x1024
F/I
13 x 13 µm
1024B_eXcelon 1024x1024
B/I
13 x 13 µm
1024BR_eXcelon 1024x1024
理论分辨本领计算实例：
m=1, N=64mm1200/mm=76800
闪耀光栅的原理
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
入射角与闪耀波长的关系
nm, , .
b
b
几何光学的方向能量最大：
b (b )
Fastie-Ebert型配置单色仪
三部分—光源和照明系统、分光系统和接收系统
G
M2
S1
M1
S2 PMT
S1：入射狭缝 S2： 出射狭缝 M1：离轴抛物镜 G： 闪耀光栅 M2：反光镜 PMT：光电倍增管
Czerny-Turner型配置单色仪
光学带宽计算公式
BPλ
=
106cos(α kNF
λ
)
Wslit
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。
光栅的色散原理分辨本领
谱线的半角宽度 光栅的角色散本领
d Nd cos
D
d d
m
d cos
光栅的光谱分辨本领 R mN d
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。
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。
应用：荧光、吸收、透射、反射、光致发光、 激光光谱、等离子发射、真空紫外光谱
光谱学发展史简介
1、形成阶段： 1666年牛顿在研究三棱镜时 发现将太阳光通过三 棱镜太阳光分解为七色光。 1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光 学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费 谱线）。
2、研究室和应用阶段： 1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完 善的现代光谱仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非 线性的，人们开始研究光栅光谱仪。
✓ 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。
CCD特征
CCD特点与优势
全金属永久真空密封设计 深度热电空气制冷，或液氮制冷 新CoolCUBE液体循环器：震动或热流扰动环境下最好的
解决方案 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，先进的操作尽在您的掌握
αλ =sin-1
10-6kNλ
2cos(
D
v
2
)
-
Dv 2
单色仪的照明系统
光源：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气） 电火花、电弧（电火花发生器）、 激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、 星体、太阳
单色仪的接收系统—光电倍增管
光电阴极材料：多碱金属或双碱金属 窗口材料：硼硅酸盐玻璃
光电倍增管特征
（谱响应、典型增益、暗电流）
光谱响应
增益
暗电流
光电倍增管工作原理
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。
光电倍增管使用注意事项
✓ 负高压可达900伏（光电倍增管加的电压为负高 压）先开电源，打开测量软件后，设定测量参数， 根据测量要求再调节负高压（关时一定要先关软 件，再关电源）。
✓ 一般在半小时后阳极电流达到稳定（暗电流）。 ✓ 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）。
m=1 一级闪耀波长为
d=1/1200mm
b d(sin sin(b ) 5o， 10 o, 30o
b 587， 600.5， 606.3 (nm)
凹 面 平 场 光 栅
入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：
I
I
0
(
sin
)2
(
sin N N sin
)2
单缝衍射因பைடு நூலகம்干涉因子
a sin
d sin
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
三级物理实验
单色仪的定标和光谱测量
Monochromator Experiments
内容简介
单色仪的用途 光谱学发展史简介 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 钠灯、He-Ne激光器、ＬＥＤ灯、汞灯的光谱测量 滤光片的吸收特性光谱测量 红宝石吸收和发射光谱测量， 罗丹明6G 溶液的发光和吸收光谱测量 附录
B/I DD
13 x 13 µm
Key: F/I = Front Illuminated - B/I = Back Illuminated = DD - Deep Depletion
Peak QE 95% 45% 95% 98%
量 子 效 率
CCD图像与真空窗透过率
单色仪的分光系统—光栅
矩 形 光 栅
光栅与棱镜相比
优点
棱镜的工作光谱区受到 材料的限制（光的波长 小于120nm，大于 50m时不能用)
光栅的角色散率与波长 无关，棱镜的角色散率 与波长有关。
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。
缺点
光栅存在光谱重叠问题而 棱镜没有。
光栅存在鬼线（由于刻划 误差造成）而棱镜没有。
CCD参数
Model
Imaging Array Sensor Type Pixel Size
512B_eXcelon
512x512
B/I
24 x 24 µm
1024F
1024x1024
F/I
13 x 13 µm
1024B_eXcelon 1024x1024
B/I
13 x 13 µm
1024BR_eXcelon 1024x1024
理论分辨本领计算实例：
m=1, N=64mm1200/mm=76800
闪耀光栅的原理
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
入射角与闪耀波长的关系
nm, , .
b
b
几何光学的方向能量最大：
b (b )
Fastie-Ebert型配置单色仪
三部分—光源和照明系统、分光系统和接收系统
G
M2
S1
M1
S2 PMT
S1：入射狭缝 S2： 出射狭缝 M1：离轴抛物镜 G： 闪耀光栅 M2：反光镜 PMT：光电倍增管
Czerny-Turner型配置单色仪
光学带宽计算公式
BPλ
=
106cos(α kNF
λ
)
Wslit
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。
光栅的色散原理分辨本领
谱线的半角宽度 光栅的角色散本领
d Nd cos
D
d d
m
d cos
光栅的光谱分辨本领 R mN d
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。
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。
应用：荧光、吸收、透射、反射、光致发光、 激光光谱、等离子发射、真空紫外光谱
光谱学发展史简介
1、形成阶段： 1666年牛顿在研究三棱镜时 发现将太阳光通过三 棱镜太阳光分解为七色光。 1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光 学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费 谱线）。
2、研究室和应用阶段： 1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完 善的现代光谱仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非 线性的，人们开始研究光栅光谱仪。
✓ 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。
CCD特征
CCD特点与优势
全金属永久真空密封设计 深度热电空气制冷，或液氮制冷 新CoolCUBE液体循环器：震动或热流扰动环境下最好的
解决方案 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，先进的操作尽在您的掌握
αλ =sin-1
10-6kNλ
2cos(
D
v
2
)
-
Dv 2
单色仪的照明系统
光源：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气） 电火花、电弧（电火花发生器）、 激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、 星体、太阳
单色仪的接收系统—光电倍增管
光电阴极材料：多碱金属或双碱金属 窗口材料：硼硅酸盐玻璃
光电倍增管特征
（谱响应、典型增益、暗电流）
光谱响应
增益
暗电流
光电倍增管工作原理
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。
光电倍增管使用注意事项
✓ 负高压可达900伏（光电倍增管加的电压为负高 压）先开电源，打开测量软件后，设定测量参数， 根据测量要求再调节负高压（关时一定要先关软 件，再关电源）。
✓ 一般在半小时后阳极电流达到稳定（暗电流）。 ✓ 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）。