光栅光谱仪实验报告

光栅光谱仪的使用

学号**********

学生姓名张家梁

专业名称应用物理学（通信基础科学）所在系（院）理学院

2017 年3 月14 日

光栅光谱仪的使用

张家梁

1 实验目的

1. 了解光栅光谱仪的工作原理。

2. 学会使用光栅光谱仪。

2实验原理

1. 光栅光谱仪

光栅光谱仪结构如图所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。

光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCCD 等多种，经过光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和CCD 来接收出射光。

2. 光探测器

光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”) ──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。

CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理单元。对光敏感的CCD 常用作图象传感和光学测量。由于CCD 能同时探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。

3. 闪耀光栅

在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（Φ=90°）光栅衍射的一般特性。当入射角Φ=90°时，衍射强度公式为

光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定，只不过此时

当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取＋号，异侧时取－号。单缝衍射中央主极大的条件是u=0，即sinΦ=-sinθ或Φ=θ。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足v＝0，即0 级干涉大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0 级大位置是重合的（图9.1a），光栅衍射强度大的峰是个波长均不发生散射的0 级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。

为了提高信噪比，可以采用锯齿型的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时，两者0 级极大的角度也一样。闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝，衍射条件与齿面法线有关。，中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法线N，于是造成衍射极大与0 级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数，可以使光栅衍射的某一波长强峰发生在1 级或其它高级干涉极大的位置。图是平面光栅和闪耀光栅衍射各级谱线强度示意图。

闪耀光栅是许多光栅光谱仪中采用的色散器件。

3实验步骤

1. 粗调狭缝宽度。不打开光谱仪控制箱电源，取下入射狭缝前的光源，调节入射狭缝的缝宽，直接观察狭缝宽度的改变。先顺时针调节，观察狭缝宽度逐渐增大，然后减小狭缝宽度至狭缝刚好完全关闭。后，调节缝宽至约0.50mm。同样，调节出射狭缝至0.5mm。注意，出射狭缝后挂接着光电倍增管，光电倍增管只能接收微弱光强，不可在室内照明强度下使用，因此实验过程中不可取下光电倍增管。

2. 寻找狭缝的零点误差。狭缝宽度由微分头调节，存在零点误差，我们可通过实际现象来判断。打开光谱仪电源控制箱和计算机，启动光谱仪软件。将溴钨灯安装到入射狭缝处（灯的前端接口与狭缝是配套的，可直接挂上），打开溴钨灯电源，调节电流至大。调节负高压至300V，设在软件“参数设置”中选择工作模式为“能量”，间隔1.00nm，工作范围（即起始波长和终止波长）为200-660nm，采集次数为25，其它参数不变。点击菜单“定点”按钮，弹出的对话框中设置波长（500nm）和扫描时间（60s），设置后仪器将自动扫描至500nm 处连续测量光强，60 秒后停止。在扫描过程中，分别调节入射和出射狭缝，可即时看到出射光强的变化。保持出射狭缝0.50mm 不变，减小入射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变，光强一般至少小到10 以下），此临界位置即为入射狭缝的零点。同样，调节入射狭缝至0.50mm 并保持不变，逐渐减小出射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变），此临界位置即为出射狭缝的零点。记录零点误差。

3. 用钠灯双黄线校正光谱仪。点亮钠灯，使其对准入射狭缝，调节入射狭缝为0.40mm，出射狭缝为0.20mm，工作范围580-600nm，间隔0.01nm，负高压约300V，选择寄存器1）。点击“单程”开始扫描，扫描结束后，如果谱线的最大值小于200 或者大于950，则适当增大或减小负高压（以后所有的谱线都要满足这个条件，不再赘述），再次扫描。得到合适的谱线后，用软件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线，并与理论值比较，如果误差超过1nm，则用软件的修正功能予以修正。

4. 量高压汞灯光谱（入射狭缝为0.40mm，出射狭缝为0.20mm，200-630nm，间隔0.1nm，负高压与钠灯相当，选择寄存器2），寻峰，记录波长和相对光强。与理论值比较，作标准值－测量值曲线图，并得出光谱仪的波长修正公式；

5. 测量氢（或者氢氘）原子光谱。氢灯灯管很细，注意尽量对准狭缝，负高压预设600V，如没有谱线，应左右移动氢灯使其对准狭缝再测（分三段测量，650-660nm，480-500nm，380-440nm，间隔0.01nm，分别选择寄存器3、4、5），寻峰，记录波长和相对光强，由上一步得到的修正公式计算实际的波长和里德伯常数，并与理论值比较；