光学多通道实验报告

实验一、光学多道分析器的应用

薛清峰、周庆杰

【摘要】

光学多道分析器集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，可测出未知光谱的波长等功能，目前已广泛应用于科研机构作为光谱分析之用。

【关键字】

光谱、汞灯、多通道分析器

【引言】

光学多道可看成是多个单色仪同时对光的测量，即同时测量光强在各个波长上的分布。光学多道的测量效率大大提高，这对于需要大量测量数据的实验来说是非常必要的。

光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地

质、冶金和考古等部门。常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。涉及的波段从X 射线、紫外线、可见光、红外线到微波和射频波段。

光学多道分析器是集光学、精密机械、电子学、计算机技术与一体的精密仪器，能够更为精密的进行光谱测量。它的结构和工作原理较为复杂，但由于使用了计算机技术而使得操作过程非常方便。本实验通过对汞灯定标从而达到了解光学多道分析器的工作原理，理解光谱测量与分析的重要性，并掌握操作方法的目的。

【实验目的】

1.了解光学多通道分析器的结构原理

2.学习光学仪器的校正方法

3掌握用光学多通道分析器测量未知光谱的方法

【实验仪器】

WGD-6型光学多通道分析器、汞灯、紫外线灯、发光二极管（红、黄、绿）

波长范围300－900nm

焦距302.5mm

相对孔径D/F＝1/7

分辨率优于0.2nm

波长精度≤±0.2nm

波长重复性≤0.1nm

杂散光≤10－3

CCD(电荷耦合器件) 接收单元 2048

光谱响应区间 300－900nm

积分时间 1－88档

重量20kg

【实验原理】 一、结构原理

WGD-6型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD 接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D

采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用C －T 型，如图1-1入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm 连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G 上，衍射后的平行光束 经物镜M3成像在S2上。

M2、M3 焦距302.5mm

光栅G

每毫米刻线600条 闪耀波长550nm 二块滤光片工作区间 白片 320－500nm

黄片 500－900nm

WGD-6 型光学多通道分析器由光栅单色仪、CCD 接收单元、扫描系统、电子

放大器、A/D 采集单元及计算机组成，该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，可用于分析300nm －900nm 范围内的光谱，是当代光学测量仪器的典型代表。

二、实验原理

实验装置WGD-6 型光学多通道分析器原理为平行光束入射到平面光栅G （光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射。衍射时，遵循光栅方程：

d sin q = kl k = 0,±1,±2 （1）

式中d 是光栅常数，l 是入射光波长，k 是衍射级次，q 为衍射角。由光栅方程可知，当光栅常数d 一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零

级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、锐的亮线。

由d sin q = kl 可知，级次间距对应的

sin(q + D q ) - sin q = cos q × D q =

[(k+1)λ-k λ]=

，即

S1

M2

M1

M3

S2

G

M4 S2

D q = l /(d cos q ) （2）

当角度较小的时候，角度间隔最小，当角度增加时，角度间隔增加。所以光谱排列并非按角度线性分布。我们在测量未知波长时是同过已知两个或多个（本实验仪器最多允许选择5 个已知波长做四次定标）波长。当角度较小时，我们可以简化为线性，可以采用线性定标。更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3 次、或4 次定标。定标完毕后，可以将结果保存为文件。但我们需要明白定标文件的使用：是指在相同的衍射级次（一般取第1 级次），我们采集到已知谱线，并对已知谱线定标，将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。

定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长或中心波长。在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。

定标也是有误差的。定标使用谱线位置的远近，以及采用的是几次定标，都会影响到数据的准确性。由于CCD 的敏感波长为300nm-900nm，由公式d sin q = kl 可知，得θ取值为10.4o-32.7o 之间。

【实验内容与步骤】

（一）实验准备

1. 接通电源前，认真检查接线是否正确。

2. 转换开关

检查转换开关的位置，确认是否是工作位置，若CCD接收，请将扳手放在“CCD”档；

若观察谱线，可将旋钮指示停在“观察”档。

3. 入射狭缝S1的调正

狭缝为直狭缝，宽度范围0～2mm 连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小，

每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1～0.5mm 左右。

4. 滤光片

为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光

片装在入射狭缝S1 的窗玻璃前联接螺口上。滤光片共二片，工作区间：白色滤光片

320-500nm 黄色滤光片500-900nm

5. 软件的启动

软件安装后，从“开始”菜单执行“程序/光谱仪”组中的“WGD－6”快捷键，即可启动WGD－6 控制处理系统。

（二）软件操作简要说明

使用者可以通过屏幕提示来操作采集系统，一般操作界面窗口下包括的菜单项有：

（1）文件主要提供文件打开/关闭、结果打印和程序退出等功能；

（2）运行主要包括一些数据采集子菜单项，如实时采集、背景和改变起始波长等；

（3）数据处理——主要包括对采集到的光谱数据进行操作处理的功能，如定标、平滑、扩展、数据读取和两谱线图的加减等。

（4）设置用来修改CCD 的工作参数和显示模式，如曝光时间、平均次数、累加次数和显

示范围等。增加曝光时间、平均次数和累加次数可增加信噪比和提高弱峰的计数，但设置曝光时间要考虑CCD 动态范围的限制。

（5）帮助——提供在线帮助。