光栅光谱仪实验报告

光

栅

光

谱

仪

实

验

报

告

09级应用物理学03班

40908020323

肖金龙

2012.03.28

光栅光谱仪系统

(Grating spectrum-meter system)

光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。

一、实验目的

1.掌握发射光谱测试系统，光学元件的透射率光谱,反射率光谱测试系统以

及荧光光谱测试系统的搭建

2.学习利用电脑自动扫描多光栅单色仪测试各种光源特性谱线，学会分析

各种光学元件的反射、透射谱线。

3.学习利用组合多光栅单色仪测试物质荧光光谱，分析荧光物质成分。

二、光栅光谱仪测试系统组件名称

1．LHT75溴钨灯光源室+LPT75溴钨灯稳流电源(bromine tungsten)

2．LHM254波长校准汞灯光源

(The Hg lamp house for calibrating grating, the character wavelength is 254nm) 3．NFC-532-15陷波滤波装置

The 532nm wavelength is bound when light from the lamp house crossing the filter.

4．SPB300 300mm光栅光谱仪(the focus is 300nm)

5．SPB500 500mm光栅光谱仪

6．SD 六挡滤光片轮the light filer for six steps

7．SAC 三口样品室sample house

10.DCS102数据采集器data acquisition implement

11.PMTH-S1-CR131 光电倍增管photo multiplier tube

12.HVC1005 高压稳压电源regulated power supply in high voltage

三、光栅基础知识及实验原理图

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。

1.光栅基础

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可做到高光谱分辨率。选择光栅主要考虑如下因素：

(1) 闪耀波长:闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。

(2)光栅刻线:光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线

少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。

(3)光栅效率:光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效

率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，

还采用特殊镀膜，提高反射效率。

2.光栅方程

图1 反射式衍射光栅

反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。如图1所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为α，衍射角为β，衍射级次为m ，d 为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：

(sin sin )d m αβλ+= (1) 定义φ为入射光线与衍射光线夹角的一半，即φ=(α-β)/2；θ为相对于零级光谱位置的光栅角，即θ=(α+β)/2,得到更方便的光栅方程：

2cos sin d m ϕθλ= (2) 从该光栅方程可看出：

（1）对一给定方向β，可以有几个波长与级次m 相对应λ满足光栅方程。比如

600nm 的一级辐射和300nm 的二级辐射、200nm 的三级辐射有相同的衍射

角，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。衍射级次m可正可负。（2）对相同级次的多波长在不同的β分布开。

（3）含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变α，则在α+β不变的方向得到不同的波长。

3.不同测试系统实验原理图

1.透射/反射光谱光度系统

2.荧光光谱系统

四、以溴钨灯为光源测试材料的反射、透射光谱实验步骤

1．溴钨灯光谱范围

（1）溴钨灯光谱响应范围：250~2500nm

（2）PMTH-S1-CR131 光电倍增管探测器响应波长范围：185～900nm

2. 通过光电倍增管探测器探测荧光谱线

（2）将数据采集器后板单色仪口（monochromator）用数据线与单色仪SBP500 连接，再将单色仪（SBP300与SBP300）的输出口与电脑主机的数据线口连接

（3）将HVC1005型高压稳压电源的输出电压口与光电倍增管的高压线口连接（4）将氙灯电源输出端（氙灯电源）与氙灯光源室连接

（5）开启溴钨灯电源，电源指示灯亮

（6）将电流调节旋纽顺时针调到最大,再按触发按纽,溴钨灯光源室灯变亮后松开触发按纽,然后调节电流旋纽到工作电流范围内(溴灯工作电流:7.5~9A)