单色仪的定标和光谱测量PPT课件
大学物理实验---单色仪的定标和光谱测量.docx
实验题目：单色仪的定标和光谱测量实验目的：了解光栅单色仪的原理，结构和使用方法，通过测量钨灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。
实验原理：一.光栅单色仪的结构和原理如下图所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。
单色仪的光源有：火焰、电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。
如下图所视，当入射光与光栅面的法线N的方向的夹角为©（见图）时，光栅的闪耀角为a取一级衍射项时，对于入射角为©而衍射角为e时，光栅方程式为：d(sin H sin 0)=入式中N 为光栅的总线数，在本实验中 N 为64 *200=76800, m 为所用的光的衍射级次，本实验中m 二雹实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响， 加上光源的谱线由于各种效应而发生增 宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值， 因此光谱仪的实际分辨本领远远小于 76800。
实验数据及数据处理：（数据以文本文档中为准）■ ■ » 11、 光栅单色仪的定标 ----- 钠灯光谱与标准值之间误差：？？= --------------- =0.00%入Nd cos=d 9 = m d 入 d cos 9R= d x =mNFigure 1钠灯光谱主线系峰值数据： 1、589.0002、589.625实验报告589 .0BY 王有识页3实验报告?? =0.004%-|589 .625-589 .6|Figure 2钠灯光谱锐线系峰值数据： 1 、615.413 2 、616.050 与标准值之间误差：？？=--------------- =0.002%1615 413-615 .4|?? —6154---------- =0.008%1616.050-616 ,0|2 = 616.0Figure 3钠灯光谱漫线系1页4 BY王有识?? = ------------------ =0.006%1497.812-497 .78|?? 49778 =0.01%|498 .250-498 .2| 2=498.22、 低压汞灯光谱测量峰值数据：1、568.250 、568.825与标准值之间误差:??= =0.009%1568 .250-568 .3|与标准值之间误差:??568・3 ------ =0.006% |568 .7-568 .86|22=568 .86Figure 4钠灯光谱漫线系2峰值数据：1、497.812 2 、498.250实验报告Figure 5低压汞灯黄光强峰值数据：1、576.925 2 、579.050与标准值之间误差：??= =0.006%1576 .925-576 .96|?? 576・96------- =0.003%|579 .050-579 ,07|2二579.07Figure 6低压汞灯蓝绿光强峰值数据：1、491.637 与标准值之间误差：？？二 ------------- =0.008%|491 .637-491 .60|峰值数据： 1 、585.925ure 7低压汞灯2黄光589.000与标准值之间误差：??==0.0009%1585 .925-585 .92| ?? —585.92 =0.003%1589 .000 -589 .021本组实验由于测蓝绿光的弱光谱，而实验环境中并不是完全黑暗,难免会有光对实验产生干扰， 所以实验所得的图像很不理想， 但是还 是可以分辨出波峰。
单色仪的定标和光谱测量实验(1321室)
单色仪的定标和光谱测量实验（1321室）实验要求：实验前准备认真预习（1）认真阅读实验讲义或实验教材（2）准备预习报告注明：1、加入自己对实验原理的理解；2、实验课时必须带来，作为当堂打实验操作分的依据；3、认真预习者方可进入实验室进行操作准时进入实验室（1）不准迟到，请假需要提前上交书面申请（2）注意保持实验室卫生（3）严禁携带零食，注重仪表！例如：不穿拖鞋等行为（4）雨天请将雨伞放置在实验室门外仔细阅读听讲（1）认真听讲每个仪器的名称，作用及使用方法（2）阅读实验指导书实验进行时严肃认真，不得在实验室内打闹、嬉戏！严格遵守操作规程，严禁手碰透镜等光学仪器的光学面不得直视激光，以免损伤视网膜！严禁损坏仪器经指导老师签字或同意后，并清洁整理完毕方可离开！实事求是（1）认真观察、分析实验现象（2）如实记录实验数据，不得抄袭勇于创新积极思考并提出自己的建议或意见实验结束后及时认真完成实验报告！（实验目的、内容、实验原理、实验仪器、实验操作步骤、实验结果（包括数据处理分析和现象分析）、回答思考题）下次上课时必须交上，不得延误！单色仪的定标和光谱测量实验（1321室）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。
实验简介单色仪（monochromator）是指从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
按照色散元件的不同可分为两大类：以棱镜为色散元件的棱镜单色仪和以光栅为色散元件的光栅单色仪。
单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜时被分解成七色光的彩色光光谱，牛顿首先将此分解现象称为色散。
1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并研究发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。
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。
试验七单色仪的定标和滤光片
实验三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光谱透射率的方法。
仪器和用具反射式棱镜单色仪，溴钨灯(l2V,50W)，直流稳压电源，汞灯，硅光电池，灵敏电流计，低倍显微镜，滤光片，会聚透镜(两片)，毛玻璃。
原埋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。
单色仪依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。
例如应用石英棱镜作为色散元件，则主要应用于紫外光谱区，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，则可运用于广阔的红外光谱区，用真空温差电偶等作为光探测器。
本实验所用玻璃棱镜单色仪仅适用于可见光区，用人眼或光电池作为光探测器。
图7-1所示为反射式棱镜单色仪的结构示意图，其外壳是圆形的，下方有驱动棱镜台转动的丝杆和读数鼓轮，外侧装有缝宽可调的入射狭缝S1，和出射狭缝S2。
其光学系统由下列三部分组成:1、入射准直系统由人射缝S1和凹面镜M1组成，因S1固定在M1的焦面上，它使S1发出的入射光束成为平行光束。
2、瓦兹握斯色散系统由玻璃棱镜P和平面镜M联合组装成一整体，安装在同一转台上，可以绕通过0点垂直于图面的轴线(棱镜顶角的等分面和底面的交线)转动，该系统的特点是平行光束通过后，以最小偏向角出射的单色光仍平行于原入射光。
即该系统为恒偏向色散装置。
3、出射聚光系统由凹面镜M2和出射缝S2组成，它将色散后沿不同方向传播的单色平行光经M2反射后，会聚在M2的焦面，即出射缝S2的平面上，因S2缝宽较小，从S2输出的是波段很窄的光，通常称为单色光。
随着棱镜台绕0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。
单色仪的定标
f
=
r
2(n −1)
（5―13―1）
式中， n 为透镜材料的折射率，它随着光波的波长不同而不同，波长 λ 越长，折
射率 n 就越小，焦距f就越大，反之亦然。所以由三棱镜分解出来各种不同波长的光波
通过凸透镜折射后所成的像不是在此透镜的单一焦平面上，而是在与主光轴有倾斜的
准焦平面上。
凹面反射镜的焦距为
f =r 2
缝S1对准凸透镜和汞灯所发出的光线。适
当调节透镜和汞灯的位置，使汞灯发出的
光成像在入射狭缝S1上。
3
S1
2
1
２．观测装置的调整
在出射狭缝S2前放一测微目镜或读数 显微镜，调节测微目镜，直至看清叉丝。 然后调节其物镜，看清出射狭缝S2和狭缝
S2
1 .汞灯 2 .短焦距凸透镜 4 3 .单色仪 4 .测微目镜
隐若现。这时，只有定下心来，耐心观察，才能看清楚。如汞灯的红谱线有三条，其
中一条波长为725.00纳米的暗谱线，看起来非常朦胧。（2）对于颜色的界定不明确， 特别是从一种颜色向另一种颜色过渡的过渡色很难分辨。如橙色与红色，初次接触难 于分清，只能边看边学，边认识。（3）观察光谱与个人眼睛的好坏有很大关系，好的 眼力，可多看出一些谱线，眼力差一些，就只能少Байду номын сангаас出一些谱线。
４．测量 为了准确测量，我们可以转动鼓轮，将汞灯光谱从红到紫来回多看几遍，并且将 鼓轮的读数范围确定下来。在基本辨认和熟悉全部23条谱线颜色特征以后，调节器观 测装置，把测微目镜的叉丝对准出射缝中央，向一个方向缓慢转动鼓轮，从红到紫， 读出每一条谱线所对应的鼓轮读数，重复读两次，并将数据填入下面的表5—13—1 中。 数据处理
２．单色仪（WDF型）的设计思路和实际光路图 为了使谱线像差小、成像清晰、集光本领强、体积小等技术指标更趋完善和使用 方便，人们在实际制造单色仪时，对某些具体结构作了重要改进。
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。
大学物理实验---单色仪的定标和光谱测量
G
M2 M1
S2 PMT
S1：入射狭缝 G：闪耀光栅 S2：出射狭缝 M2：反光镜 M1：离轴抛物镜 PMT：光电倍增管
如下图所视，当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为φ（见图） 时，光栅的闪耀角为θ 。 取一级衍射项时，对于入射角为φ，而衍射角 为θ时，光栅方程式为： d(sinφ＋sinθ)= λ
������2 =
|497.812−497.78| 497.78 498.2
2、498.250 =0.006% =0.01%
|498.250−498.2|
2、
低压汞灯光谱测量
页 5
BY 王有识
实 验 报 告
Figure 5 低压汞灯 黄光 强
峰值数据：1、576.925 与标准值之间误差：������1 =
λf
D；
= a= W0 0.86 a = n
Hale Waihona Puke λfD 时最佳 （D 为光栅的宽度， f 为等效会聚透
镜的焦距） 3、
单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和 计算？
答：理论分辨本领 R 的 R = λ = mN 计算： dλ m=1， 为光栅的总线条数。 N
m 为干涉级次，
实际分辨本领的测量和计算，原理和操作如下：
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BY 王有识
实 验 报 告
LED 灯能让很小的通过电流几乎全部转化成可见光。 LED 灯具有以下优点： 一、高光效 LED 光效达 50～200 流明/瓦，光谱窄，单色性好，
几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。 二、高节能 具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个 10～
12 瓦的 LED 光源发出的光能与一个 35～150 瓦的白炽灯发出的光能 相当。同样照明效果 LED 比传统光源节能 80%～90%。 三、 光色多 可以选择白色或彩色光， 红色、 黄色、 蓝色、 绿色、
实验十 单色仪的定标和波长的测定
a = a' …………………………………………………………⑤
f1 f2
上式表明，当出射缝宽和入射缝的像有同样宽度时，出射光强度最大，如果 上式简化为 。 a=a’
，则 f1=f2
若光谱宽度△λ增加 n 倍，则出射光通量将增加 n2倍。当△λ一定时，出射光通量与
棱镜的色散有关，对于不同波长的光输出，因色散不同，所以狭缝的宽度应随着改变，才能
1、 入射准直系统 组它成使，S1因由发入S出1射固的缝定入在S射1M光和1束凹的成面焦为镜面平上M行，1 光束。
2、 瓦兹渥斯色散系统 由玻璃棱镜 P 和平面镜 M 联合组装成一整体，安装在同一转台上，可以绕通过 O 点垂直于图面的轴线（棱镜顶角的 等分面和底面的交线）转动，该系统的特点是平行光束通过后，以最小的偏向角出射的单色 光仍平行于原入射光，即该系统为恒偏向色散装置。 3、 出射聚光系统 后光，，会通聚常由在称凹为面M单镜2的色M焦光2面和。，出即射出缝射S2缝组S成2，的它平将面色上散，后因沿S不2缝同宽方较向小传，播从的S单2输色出平的行是光波经段M很2 反窄的射 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随之改变，当最小 偏向角由1、小单变色大仪时的，光从谱S宽2 输度出的单色光的波长将依次由长变短。 若入射光从 S1 射入，入射缝宽为 a，则狭缝 S1 在出射缝 S2 的光谱面上成像，其像宽为
本实验选用汞灯作为已知线光谱的光源，在可见光区域（400-760nm）进行定标，然后
用定标曲线测出钠双黄线的波长。
[实验内容及步骤]
1、观察入射狭缝和出射狭缝的结构，了解缝宽的调节和读数以及狭缝使用时的注意事
项。因为两个缝的宽度直接影响出射光的强度和单色性，所以必须根据需要适当选择缝宽。
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。
单色仪的定标和光谱测量
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。
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，
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。
2
3
p
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。
单色仪的定标及对钠光波长的测定
选十六单色仪的定标及对钠光波长的测定一、目的要求完成单色仪的定标工作，并测定钠光的波长。
实验要求：1．了解单色仪的光路结构及工作原理；2．掌握单色仪的正确定标方法；3．弄懂整个实验中各步调节的目的及达到此目的所需的视域特征；4．学会实验图线的正确绘制(要求定标曲线图应是一张符合精度要求的实用图线)；5．寻找定标公式并据此求出钠光波长；6．钠光波长测量正确度达到1％。
二、仪器设备WDF反射式单色仪、高压汞灯及镇流器、钠光灯、聚光透镜、JXD—2型读数显微镜。
三、参考书目l. 杨之昌《几何光学实验》P.185—195。
2．WDF反射式单色仪使用说明书。
四、基本原理1．单色仪的光路结构及工作原理WDF反射式单式仪由入射准直管、色散系统和出射聚光管三部份组成。
它是以玻璃棱镜作为色散元件(亦有用光栅作为色散元件的单色仪)，故又称为棱镜单色仪，其光路结构如图1所示。
S1：入射狭缝；S2：出射狭缝M1：球面反射镜(准直物镜)P：顶角为60°的三棱镜M2：平面镜，与P固定在一起M3：球面反射镜(聚光物镜)入射准直管：S1、M1组成平面镜色散系统：P与M2固定在一起组成恒偏向棱镜。
图 1出射聚光管：M3、S2组成。
外部光源发出的光经透镜(单色仪外)会聚在入射狭缝Sl后进入单色仪，直射准直物镜M1，经M1反射成平行光入射至平面反射镜M2，此光再经平面反射镜M2反射而进入三棱镜P，经棱镜色散，各种波长的光将以不同的角度射到聚光镜M3上，这些光经聚光物镜M3反射造像(入射狭缝S1的像)于一个曲面上。
在这个曲面上装有出射狭缝S2，其刃口中心定位于通λ的光线通过棱镜时具有过棱镜时具有最小偏向角的光线会聚成象的位置上。
如图l中的1λ的光线通过棱镜不处于最小最小偏向角，所以会聚成象于S2的刃口中心出射，而波长2λ就不能出偏向状态，所以它经M3成象后其象必定不在S2刃口中心，当狭缝S2较小时，2射。
只有具最小偏向角的光线才会聚成象于S2刃口中心(这是定标前必须将读数显微镜十字线调整到S2刃口中心的原因，它确定了一个标准位)。
单色仪的定标和光谱测量
光栅单色仪的定标和光谱测量实验实验目的：（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。
实验简介单色仪（monochromator）是指从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
按照色散元件的不同可分为两大类：以棱镜为色散元件的棱镜单色仪和以光栅为色散元件的光栅单色仪。
单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜时被分解成七色光的彩色光光谱，牛顿首先将此分解现象称为色散。
1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并研究发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。
棱镜的色散起源于棱镜材料折射率对波长的依赖关系，对多数材料而言，折射率随着波长的缩短而增加（正常色散），及波长越短的光，在介质中传播速度越慢。
1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计完成较完善的现代光谱仪—这标志着现代光谱学的诞生。
由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。
光栅光谱仪是利用衍射作为光学元件用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，光栅光谱仪具有比棱镜单色仪更高的分辨率和色散率。
衍射光栅的可以工作于从数十埃到数百微米的整个光学波段，比色散棱镜的工作波长范围宽。
此外在一定范围内，光栅产生的是均排光谱，比棱镜光谱的线性要好的多。
它也可以从复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中提取单色光，即通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。
因此可以进行复合光源的光谱质量分析。
实验原理光栅光谱仪是利用衍射作为色散元件，因此光栅作为分光器件就成为决定光栅光谱仪的性能的主要因素。
1、衍射光栅：现代衍射光栅的种类非常多，按照工作方式分为反射光栅和透射光栅；按照表面形状可分为平面光栅和球面光栅；按照制造方法可分为刻划光栅、复制光栅和全息光栅；按照刻划形状可分为普通光栅、闪耀光栅和阶梯光栅等。
单色仪定标与谱测量2011413131206
实验名称： 光栅单色仪的定标和光谱测量实验目的：（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。
实验原理：一、光栅单色仪的结构和原理如下图所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。
单色仪的光源有：火焰、电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。
单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm 光栅的面积64⨯64mm 2光栅的刻划密度为1200线/mm 二、狭缝宽度缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小。
最佳狭缝宽度为：Dfa n λ=86.0。
其中f 为抛物镜的焦距，D 是由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，实验中f ＝500mm ，D=64mm 。
三、光栅的色散和分辨本领根据光学的理论知识可知，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。
根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。
理论上它们分别为：式中N 为光栅的总线数，在本实验中N 为64⨯1200=76800，m 为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。
实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。
四、闪耀光栅当入射光与光栅面的法线n 的方向的夹角为 （见图2）时，光栅的闪耀角为 b ，取一级衍射项时，对于入射角为 ，而衍射角为 时，光栅方程式为：()sin sin d ϕθλ+=因此当光栅位于某一个角度时（ 、 一定），波长 与d 成正比。
本次实验所用光栅（每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为200 nm —900nm, 刻划尺寸为64 64 mm 2）。
单色仪的定标与滤光片光谱透射率的测定
单色仪的定标与滤光片光谱透射率的测定【试验目的】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.把握用单色仪测定滤光片光谱透射率的方法。
【试验仪器】反射式棱镜单色仪，汞灯，硅光电池，灵敏电流计，低倍显微镜，滤光片, 会聚透镜，毛玻璃【试验原理】修单色仪是一种分光仪器，它通过色散元件的分光y t 作用，把复色光分解成它的单色组成。
依据采纳色散\ 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、近红外始终到远红外。
对不同的光谱区域，一般需换用不同的棱镜或光栅。
若采纳石英棱镜作为色散棱镜，主要应用于紫外光谱区，并用光电倍增管作为探测器；棱镜材料用NaC1、LiF或KBr等，则可用于宽阔的红外光谱区，用真空热电偶等作为光探测器。
本试验为玻璃棱镜单色仪，仅适用于可见光区，用人眼或光电池作为光探测器。
图1所示为反射式棱镜单色仪的结构示意图，其外壳是圆形的，下方有驱动棱镜台转动的丝杆和读数鼓轮，外侧装有缝宽可调的入射狭缝Sl和出射狭缝S2O其光学系统由下列三部分组成：1.入射准直系统由入射狭缝SI和凹面镜他组成，因Sl固定在的焦面上，它使Sl发出的入射光束经此后成为平行光束。
2.瓦兹渥斯（Wadsworth）色散系统由玻璃棱镜P和平面镜M联合组成一整体，安装在同图1一转台上,可以绕通过0点垂直于图面的轴线（棱镜顶角的等分面和底面的交线）转动，该系统的特点是平行光束通过后，以最小偏向角出射的单色光仍平行于原入射光。
即该系统为恒偏向色散装置。
3.出射聚光系统由凹面镜Nt和出射缝S2组成，它将色散后沿不同方向传播的单色光经AL反射后，会聚在此的焦面，即出射缝，的平面上，因S2缝宽较小，从Sz输出的是波段很窄的光，通常称为单色光。
随着棱镜台绕0轴转动，以最小偏向角通过棱镜的光束的波长也跟着转变，当最小偏向角由小变大时，从S2输出的单色光的波长将依此由长变短。
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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）。
1(3R p)2(nR d)2(n4,5)
s 1 .3 5 p 0 .8 6 d 0 .0 1
高压汞灯光谱测量
颜色
波长/nm
强度
△404.66
强
△407.78
中
紫色
410.81
弱
433.92
弱
434.75
中
△435.84
强
•
△491.60
强
蓝绿色
△496.03
中
汞
535.41
弱
灯
536.51
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。
单色仪的接收系统—光电倍增管
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。
✓ 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。
单色仪的分光系统—矩形光栅
入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：
II0(s i n)2(ssiinN n)2
单缝衍射因子干涉因子
asin
dsin
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
单色仪的结构和原理
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
图1
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
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
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
w0
w
.
f D
an
f D
a/an
ห้องสมุดไป่ตู้狭缝的最佳宽度
狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系
RI
1
a/an
由上图可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得 到光强太小，取a=an最好。
实验内容
光栅单色仪的定标 高压汞灯光谱测量 红宝石晶体的发射和吸收光谱测量 滤光片的吸收曲线测量 罗丹明6G溶液的发射和吸收曲线测量 蓝色LED灯测量（400-550 nm）
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。
谱线的半角宽度 光栅的角色散本领
d Ndcos
D
d m d dcos
光栅的光谱分辨本领 R mN d
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）
光栅单色仪的定标
―――钠灯光谱
589.0 nm
589.6 nm
钠原子的光谱
光谱公式（里德堡常数R
）
主线系 589.0 nm/589.6 nm
1(3Rs)2 (3Rp)2
锐线系 616.0 nm/615.4 nm
1 R R
(3p)2 (5s)2
漫线系
568.3 nm/568.86 nm 497.78 nm/498.2 nm
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。
光谱学发展史简介
弱
的
绿色
△546.07
强
主
567.59
弱
要
发
黄色
射
谱
线
橙色
△576.96
强
△579.07
强
585.92
弱
589.02
弱
△607.26
弱
△612.33
弱
红色
△623.44
中
△671.62
中
深红色
△690.72
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。
d(sis ni)n m
光栅的色散原理分辨本领
-
b
入射角与闪耀波长的关系
n ,m , .
b
b
几何光学的方向能量最大：
( )
b
b
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)
光强曲线
单色仪狭缝宽度的讨论
1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源）。 2、设狭缝为无限细，由衍射理论可知谱线的半宽度为： 3、当狭缝a逐渐变宽时的变化如下图所示：