光学多道分析器

光学多道分析器

一、实验目的

1、 了解多道分析的基本原理和多道分析器的基本结构及使用方法；

2、 掌握用已知光源的标准光谱线定标来测量未知光源谱线的方法；

3、 研究发光二极管的发光特性。

二、基本原理

光谱是研究物质微观结构的重要手段，它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。常用的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱，设计的波段从

X

见光波段的发射光谱使大家了解光谱测量的基本方法以及不同发光光源的谱特征。 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，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（球面反射镜）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

S1

M2

M1

M3 S2

G

M4

S2

光束 经物镜M3（球面反射镜）和平面反射镜M ４成像在S2上，或转动M ４使光从S ３出射以便观察。在S ２出射窗口形成的λ1～λ２的光谱带成像于CCD 接收单元（电荷耦合器件）。它是一种以电荷量表示光强大小、用耦合方式传输电荷量的器件，本实验所用CCD 接收单元一共2048个（也叫2048道），摆成一维线阵（二维面阵CCD 以大量用于摄像机和数字照相机）放在光谱面上，一次曝光就可获取整个光谱，一次测量的光谱范围为159nm ，亦即两个像元之间对应的波长差为0.077nm 。因此，要进行 “道”到波长的转换，这也涉及到用标准光源（如汞灯）谱线进行波长的定标问题。

通常，一般平面透射光栅的衍射条纹中0级明纹占入射光光强的80%左右，而且各种波长的0级明纹重迭，其它条纹的强度很小，这是因为光栅衍射条纹的形成是缝间干涉被单缝衍射所调制的结果，这不利于色散的精确测量，实际中是使用各波长明纹彼此分开的同一级光谱，如第一级光谱。因此，上图中放在有精密数字步进马达驱动的转盘平台上的光栅M 4是闪耀光栅。闪耀光栅是一种反射光栅，其原理如图２所示。以磨光了的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石刀头在上面刻划出一系列锯齿状槽面。槽面与光栅平面之间的夹角，或者说它们的法线n 和N 之间的夹角θb ，叫做闪耀角。闪耀角的大小可由刻制时刀口的形状来控制。这种平面反射

式光栅的单槽衍射０级是怎样与槽间干涉０级错开的呢？

假设平行光束沿槽面法线n 方向入射，单槽衍射的０

级是几何光学的反射方向，即沿原方向返回。对于槽间干涉

来说，相邻槽面之间在这方向有光程差ΔL=2dsin θb 。满足

下式的λ1b 叫做１级闪耀波长：

2dsin θb =λ1b

光栅的单槽衍射０级亮纹正好落在λ

1b 光波的１级谱线上。又因闪耀光栅中的a=d ，λ1b 光谱中的其它级（包括０级）都几乎落在单槽衍射的暗线位置而形成缺级。这样一来，８

０％～９０％的光能集中到λ

1b 光的１级谱线上，使其强度大大增加。显然，λ1b 光的闪耀方向不可能严格地又是其它波长的闪耀方向，不过由于单槽衍射的０级主峰有一定宽

度，它可容纳λ1b 附近一定波段内其它波长的１级谱线，使它们也有较大的强度，同时这些波长的其它级谱线也都很弱。此外，用同样的方法我们可以把光强集中到２级闪耀波长λ２b 附近的２级光谱中去。λ２b 满足

图２

2dsinθb =２λ２b

总之，我们通过闪耀角θb的设计，是光栅适用于某一特定波段的某级光谱上。

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（只让此波长段的光通过）

黄片 500－900nm（只让此波长段的光通过）

滤光片的作用主要是减少杂散光的干扰。

三．安装

３.１安装场地

该仪器是实验用仪器。为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器安装场地时应注意以下几点：

1.环境温度 20±5℃

2.净化湿度 <65%

3.无强振动源、无强电磁场干扰。

4.室内保持清洁、无腐蚀性气体。

5.仪器应放置在坚固的平台上。

6.仪器放置处不可长时间受阳光照射。

7.室内应具备稳压电源装置对仪器供电，装有地线，保证仪器接地良好。

３.２安装方法

WGD-6型光学多道分析器，系精密仪器。因此仪器安装的场合应满足安装环境的要

图３联线示意图

求。工作台必须平稳。系统联线示意图如图３:

３.２.1 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，可将扳手放在“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

３.２.2 软件的安装

（参见仪器使用说明书）

四．操作方法

４.1 工作界面介绍

进入系统后，首先弹出如图４的友好界面，等待用户单击鼠标或键盘上的任意键；当接收到鼠标、键盘事件或等待五秒钟后，马上显示工作界面，同时弹出一个对话框如图５，让用户确认是否重新初始化。如果选择“是”，则初始化波长位置回到300nm处；如果选择“否”，则确认当前的波长位置，步进行初始化。

图４

图５