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
【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光谱透射率的方法。

【实验仪器】
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
【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。

若采用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NaCl、LiF或
KBr等，则可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S
1和出射狭缝S
2。

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S
1和凹面镜M
1
组成，因S
1
固定在M
1
的
焦面上，它使S
1发出的入射光束经M
1
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M
2和出射缝S
2
组成，它将色散后沿不同方向传播的单色光经M
2
反
射后，会聚在M
2的焦面，即出射缝S
2
的平面上，因S
2
缝宽较小，从S
2
输出的是
波段很窄的光，通常称为单色光。

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S
2
输出的单色光的波长将依此由长变短。

单色仪能输出不同波长的单色光，是依赖于棱镜台的转动而实现，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。

练习一单色仪的定标
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
【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（S
1和M
1
）的光轴上。

使入射狭缝减小到50m
，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（1：7）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，用一块毛玻璃置于出射狭缝处，使毛玻璃上
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S
2
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S
1
尽可能小，保证汞灯的
两条黄色的亮谱线分开，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。

图2
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。

练习二 用单色仪测定滤光片的光谱透射率
当波长为λ、光强为)(0λI 的单色光束垂直入射于透明物体上时，由于物体对不同波长的光的透射能力不同，透过物体后的光强)(λT I 也不同。

通常定义物体的光谱透射率)(λT 为
)()
()(0λλλI I T T =
若以白炽灯为光源，出射的单色光由光电池接收，用灵敏电流计显示其读数，则出射的单色光所产生的光电流)(0λi 与入射光强)(0λI 、单色仪的光谱透射率
)(0λT 和光电池的光谱灵敏度)(λS 成正比，即
)()()()(000λλλλS T kI i =
式中k 为比例系数。

若将一光谱透射率为)(λT 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
)
()()()()()()()(000λλλλλλλλS T T kI S T kI i T T ==
由以上两式可得
)()
()()()(00λλλλλi i I I T T T =
=
本实验要求用单色仪测定滤光片的光谱透射率)(λT ，作出)(λT -λ曲线，并求出光谱透射率的半宽度——透射率降到最大值一半时的波长范围。

【实验内容】
1．按图3所示安排好实验仪器，光源用白炽灯，它的发射光谱是连续光谱。

选择适当的缝宽（S 2应尽量的小，
S 1可适度改变）。

2．转动鼓轮，使单色仪输出中心波长为690nm 。

不加滤光片，记录电流计偏转格数)(0λi （调节S 1使其尽量大），加上滤光片时偏转为)(λT i 。

求滤光片对该波长的透射率)(λT 。

3．继续转动鼓轮，使输出中心波长从690nm 向紫光区移动，每隔一定的波长间隔（约20nm ）测量一次，求出透射率)(λT 并记录波长λ。

4．作)(λT -λ曲线，求出光谱透射率的半宽度。

也可选用汞灯作为光源，分别测出435.84nm ，491.60nm(或496.03nm)，546.07nm ，576.96nm(或579.07nm)，623.44nm 五条谱线滤光片的透射率,重复以上过程。

图3
5．注意事项：
（1）狭缝是单色仪的精密元件，使用时要特别小心。

旋转测微螺旋时，操作要慢些，减小狭缝宽度时，切勿使狭缝的二刀口相碰，即不允许螺旋读数小于零。

（2）入射缝S
1的光经棱镜折射后，在出射狭缝S
2
平面上形成S
1
的象是弯曲
的，定标时显微镜的叉丝应对准弯曲谱线的中部。

（3）因棱镜色散不均匀和探测器光谱灵敏度的限制，测定透明介质的光谱透射率时，当测量从长波段向短波段改变时，应适当增加缝宽（可增加S
1
的缝宽，为什么？），使电流计有较大的偏转。

（4）应选取低内阻的灵敏电流计（为什么？）。

注意防止强光照射光电池。

（5）若选用汞灯作为光源，测量任一谱线
的透过率时，应使S
2
的宽度较小（0.1mm），对
不同谱线，其强度及探测器光谱灵敏度不同，
应改变S
1
的宽度，保证不加滤光片时检流计偏
转格数尽量大（如2/3满偏）。

【思考】
1．如发现单色仪定标曲线上相对于已知
波长λ的鼓轮刻度L 偏离了L ∆，能否将原定
标曲线平移L ∆后继续使用，为什么？
2． 证明瓦兹渥斯色散装置（图4）的光 束恒偏向特性，即φπδ2-=。

图4。