光谱透过率实验(2012级)2.0

光谱透过率测量实验

物体透过率是指物体透射的光通量与入射光通量之比，标志着物体传输光辐射能量的强弱，光谱透过率是指物体对某个波长的单色光的透过率。随着科学的发展，光谱所贡献的力量越来越大，光谱学及光谱分析在各个领域的运用也越来越广泛，如物质成分检测，农作物病害虫检测，物质品质检测等等。这些都主要是通过分析物质的吸收光谱或透射光谱来实现的，因此测量光谱透过率具有重要的意义。

透明、半透明物体（包括液体、玻璃等）的光谱透过率的测量具有重大的现实意义和应用价值，例如根据溶液浓度与光谱透过率的一一对应关系可以利用光谱透过率测量液体的浓度；根据滤光片的光谱透过率来评价滤光片的质量好坏；以玻璃为主要材料的光学系统的光谱透过率是系统能量传输的重要指标。光谱透过率反映了整个光学系统的辐射光通量的损耗与成像质量的好坏以及成像质量好坏的参考标准。

本实验系统所搭建的平台既可以进行双光束双通道测量系统的设计与搭建，也可以进行普通的单通道测试系统搭建。并运用所设计的光谱透过率测量实验系统测量透明、半透明物质的光谱透过率等。

实验目的

1、加深对光栅单色仪、锁定放大器工作原理设计结构的理解。

2、掌握光栅单色仪、锁定放大器等光电检测仪器的应用。

3、学会设计光谱透过率测量系统的基本方法。

实验原理

光谱透过率原理

光是一种电磁波，当光波遇到有界面时会受到影响而引起反射和透射现象。一般光学元件表面都镀有薄膜，

光学镀膜是在光学元件上或独立基板上镀上特定的膜质来

改变光波传递的特性，如眼镜镜片有不同颜色均是由镀膜所导致的。因此光学元件具有光谱特性，也就具有光谱透过率。在测量和计算透明物体或溶液的光谱和颜色特性时，也常要用到这一物理量。

光谱透过率表示从光学系统出射的辐射光通量与投射到光学系统的辐射光通量之比，光学系统光谱透过率一般用τ表示[6]，即：

（1） 式中: 波长为λ、光通量为的单色光垂直入射到光学系统，由于光学系统对不

同波长的光的透过能力不一样，所以透过光学系统的光强也不一样。

因此，搭建光谱透过率测试系统，主要目标就是测量出和。 相关检测原理

在检测光谱透过率测量系统中的信号时，噪声是一种扰乱信号，它是限制和影响检测系统的灵敏度、精确性和重复性的重要因素。为了将噪声所淹没的信号检测出来，通过考察和研究各种信号及噪声的规律发现，信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的结果，从而提出了“相关”的概念。

根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及积分器进行相关运算，从而将周期信号从噪声中检测出来，这就是所谓的“相关检测”。相关检测可分为自相关检测与互相关检测。互相关检测比自相关检测抑制噪声的能力强，并有一定的互相关增益，故抑制噪声的能力优于自相关。

互相关检测

互相关检测原理图（如图所示）：

互相关检测原理图

’λF （）

λF （）’100%（）（）（）

F F λτλλ=⨯λF （）’λF （）’λF （）λF （

）

输入乘法器的是被含有噪声的信号和被延时的与被检测信号同频率的参考信号，最后积分器的输出为 ：

（2） 是噪声与参考信号的互相关函数，参考信号和噪声是不相关的，随积分时间T 的延长而趋于零；是信号与参考信号的互相关函数，参考信号和信号是相关的，随积分时间T 的延长而趋于某一函数值。

互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号，当被测信号未知时，要取得与同频率的信号在某些情况下是困难的。要做大量试验工作，才能确定，这时一般不采用互相关检测。

系统设计

系统各部分介绍

光谱透过率测量实验系统提供：低压汞灯：溴钨灯光源、光栅单色仪、聚光镜、分光镜、反光镜、斩光盘、光电池探测器、锁定放大器等构成，下面详细讲述测试系统的各组成器件及其原理。

光源

低压汞灯点燃之后能发出较强的汞的特性光谱线，它有404.7nm 、546.1nm 、577nm 、579.1nm 几条特征谱线，根据这些谱线可以对单色仪的读数进行校准。

图1 低压汞灯光源 ()i n t () ()i i x t S t n t =+（）

()i S t ()y t ()()()/2

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GY-6高度可调溴钨灯光源（如图2所示），溴钨灯又称为卤素灯，它是被广泛使用的理想光源。溴钨灯发光效率高，在光学仪器和电影放映等许多方面有广泛应用。

图2GY-6高度可调溴钨灯光源

透镜

由于溴钨灯光源发出的光比较发散，为了更有效的收集光能，采用凸透镜（如图3所示）对光源发出的光进行会聚，光源发出的发散光经过透镜之后聚焦。

图3两种凸透镜图片

光栅单色仪

1.单色仪工作原理

光栅单色仪的光路结构如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1上。S1处于M1的聚焦面上。因此反射光为平行光束。这束平行光束经闪耀光栅G分光后，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面反射经M2。球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。

图1 WDG30型光栅单色仪原理图

当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光束。这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立的单色光的作用。

使用单色仪时首先要用标准光源对单色仪的读数进行校准，本实验光源采用的是低压汞灯。

分光镜

分光镜可以将单色仪射出的单色光以一半反射一半透射的形式将单色光分成两束，一束光为参考光（单通道系统中为监测光），另一束为测试光，即被测物体置于该光路上。由于分光镜并不是准确地将光以二分之一和二分之一的形式分光，故在实验前应先测量出分光镜的分光比，这样可以提高实验精度，分光镜实物（如图5所示）。

图5分光镜片与镜架图

反光镜