光学多道测量光谱

使用光学多道测量光谱
摘要：本文介绍了电荷耦合器件（CCD）成像原理，以及光学多道分析器（OMA）多道快速检测和显示微弱光谱信号的方法，并利用汞灯的特征光谱线长进行定标，测量钠灯和氢氘灯的光谱，为分析金属种类和金属特征谱线长提供简便方法。

关键词：Hg光谱波长定标光栅多色仪
传统的光谱测量技术由于受到光谱分辨率、灵敏度、时间、分析速度的限制，已经不再适应科学技术的发展和应用的需要。

20世纪60年代激光科学特别是可调谐激光技术的发展，新型光谱探测元件及探测技术的发展，光电二极管自校准技术和微弱光谱信息的接收技术和处理技术以及微处理机的应用，使得光谱测量技术的发展产生了一个革命性的变化，进入了一个新的发展时期。

传统的摄谱仪、光电分光光度计等光谱仪已经逐渐被光学多道分析仪OMA所取代。

它集信息采集、处理、存储等功能于一体。

CCD自1970年问世以后，发展迅速，应用广泛。

它具有自扫描，光谱范围宽，动态范围大，体积小，功耗低，寿命长，单色性高等优点，已应用于光谱分析仪器上，将它置于光谱仪的光谱面，一次曝光可获得整个光谱，且易于计算。

CCD图象器件用于OMA的仪器迅速增长，大大提高了光谱分析的精度和效率。

1.实验原理
1.1电荷耦合器件（CCD）
电荷耦合器件是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件。

它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等一系列优点。

CCD 基本结构和MOS(金属一氧化物一半导体)器件一样，衬底是硅半导体。

如图1，硅表面有一层二氧化硅薄膜，再上面是一层金属，作为电极。

这样，在硅和电极之间形成一个小电容，在其两端加一偏压就产生一个与硅表面垂直的电场。

如果衬
底是 p 型 Si ，金属电极置于高电位，电场的方向则从金属指向 p 型半导体。

在金属界面积累了一层正电荷，p 型半导体界面处的空穴被排斥，只剩下带负电荷的受主杂质离子，形成一耗尽层。

耗尽层的杂质离子是不能自由移动的，对导电作用没有任何贡献。

随着电压的增加，耗尽层将逐渐展宽。

在耗尽区内或附近，由于光子的作用产生了电子一空穴对，电场将电子吸引到半导体与绝缘体的界面。

这些导体中的电子是可以自由运动的，是参与导电的载流子，它们在界面形成了一个 n 型半导体层。

它与原衬底的导电类型相反。

故称为反型层。

反型层内电子的数目取决于光生电子—空穴数的累积值，器件曝光时间越长，此电荷
图 1 (a)p 型Si 表面附近的耗尽层, (b)p 型Si 表面附近的反型层.
图 2 三相 CCD 器件的传输过程
包中电子的数目就增多，耗尽层的宽度逐渐变窄。

CCD 列阵的电荷包可以通过耦合的方式传输。

图2 表示一维CCD 列阵的传输情况，列阵中每三个器件为一个单元，列阵中各单元的φ1电极接同一时钟脉冲线，各单元所有的φ2电极与φ3电极与另两条时钟脉冲线相接。

三个时钟脉冲的波形如图2(c)所示。

在t＝t1时刻，φ1的电位最高，φ2，φ3的电位为零，因此，电荷包贮存于φ1电极下的势陷内。

当t＝t2时，φ2电位升高与φ1相同，φ1电极下的电荷包开始向电极φ2扩散。

当t＝t3时，φ1的电位开始下降，φ2电位最高，φ2电极下的势陷比φ1电极下的势陷低，电荷包就从φ1电极下完全转移到φ2电极下。

当t＝t4时，φ1、φ3的电位均为零，φ2电位最高，为下一次传输作准备。

时钟脉冲不断重复，电荷包就从左边向右边传递，最后从输出二极管输出。

产生电荷包的光子可以透过衬底入射，也可以透过电极或从电极的间隙通过二氧化硅入射到衬底上。

但前者的量子效率高于后者，因为通过电极和氧化层时均有吸收和反射损耗。

CCD 线型列阵可以分为两部分，前一部分是受照—成像区，后一部分是用于读出信号的移位寄存器。

在成像区，相邻像元之间有阻止电荷横向扩散的沟道。

器件曝光后。

各像元电极下贮存的电荷包与各像元的曝光量成正比、形成一幅“电荷图”横向转移脉冲把各像元下的电荷包移入到移位寄存器保存，然后在时钟脉冲φ1、φ2、φ3的作用下将各像元的电荷包从移位寄存器逐个移位，最后经输出二极管读出。

在移位寄存器读出的过程中，成像区又在曝光。

1.2光学多通道分析器
光学多通道分析器（OMA），是一种采用多通道方法快速检测盒显示微弱光谱信号的电子光学仪器。

它能方便地给出各种待测光谱的光谱曲线和光谱数据，可用于快速光谱分析及各种光谱研究。

图 3 (a)单通道检测,(b)多通道检测
（1）单通道检测和多通道检测
如图3为检测系统的基本框图，图3(a)单色器用于选择光谱信号的波长，在用单通道检测器时，要测量某一波段的光谱信号，必须进行波长扫描。

图3(b)多色仪和多通道检测器能够同时测量波长λ1-λ2范围内的光谱信号。

(2)多色仪部分光路
如图4为多色仪及光源部分的光路。

光源S 经透镜L 成像于多色仪的入射狭缝S 1，入射光经平面反射镜M 1转向90°，经球面镜M 2反射后成为平行光射向光栅G 。

衍射光经球面镜M 3和M 4成像于观察屏P 。

由于各波长光的衍射角不同，在P 处形成以某一波长λ0为中心的一条光谱带，使用者可在P 上直观地观察到光谱特征。

转动光
栅G 可改变中心波长，整条谱带也随之移动。

多色仪上有显示中心波长λ
0的波长计。

转开平面镜M 4可使M 3直接成像于光电探测器CCD 上，它测量的谱段与观察屏P 上看到的完全一致。

通过它把含有某些光谱信息的待测光信号进行光谱分析，在出射狭缝得到光谱范围为λ1-λ2的待测光谱信号图像。

2.实验过程
如图5为实验流程图。

注意事项：
a. 实验开始前，要将实验光源打开，预热实验光源，使光源发出光谱分布稳定。

b. 在进行背景光采集时应该避免实验灯光的干扰。

c. 对谱线进行采取峰值时，应保证谱线较为尖锐，使得实验数据较准确。

图 4 多色仪及光源部分的光路
图 5 实验流程图
d. 用汞灯进行定标时，可以用键盘上的上下左右键进行定标，保证定标的准确性。

e. 由于钠灯和汞灯的光强较强，因此应减小狭缝的宽度或者将汞灯和钠灯放置较远，
以免光强过强使得CCD 饱和，测得的谱线平坦。

f. 氢氘灯的强度较弱，因此可以略微改变狭缝的宽度使得实验数据较明显。

3.数据采集分析
3.1Hg 谱线定标
本实验中，采用手动定标。

选定第一个定标的谱线，选定其峰值，按回车键，输入谱线波长546.07nm ，按添加║下一点按钮,重复以上操作，分别输入谱线的波长为
576.96nm,579.07nm。

结束后，按添加║定标按钮，计算机弹出定标对话框，选择适合的定标（线性、一次、二次、三次定标），本实验中，采用线性定标。

定标完成后，计算机横坐标自动转换成波长显示。

定标结果如图6所示。

3.2钠灯波长测量
将汞灯换成钠灯，在不改变狭缝的宽度的基础上，实时监测获得的谱线，并通过调节钠灯的位置，以获得较为尖锐的谱线。

在停止检索后，通过数据处理进行寻峰，图 6 定标结果图
确定峰值的位置，读出峰值数据（589.10nm 589.71nm），确定其谱线波长，与资料中钠光谱线的波长（589.0nm 589.6nm）进行对比，了解其误差的范围。

如图7为实验中测量得到的钠灯的光谱分布。

图7 钠灯光谱分布图
3.3氢氘灯波长测量
氢氘灯光线较弱，可将狭缝稍微调大，得到较为明锐的谱线。

如图8为实验中测量得到的氢氘灯的光谱分布。

图8 氢氘灯的光谱分布
3.4数据分析
在测量钠灯的波长时，其汞灯定标的中心波长为550nm，谱线波长：546.07nm、576.96nm、579.07nm。

在测定钠灯的波长时，实验所得的数据为：589.10nm、589.71nm，而标准的钠灯波长为589.0nm和589.6nm。

第一条谱线相对误差Δ1=（589.10-589.0）/589.0=0.017% ，第二条谱线相对误差Δ2=（589.71-589.6）/589.6=0.019% 。

在测定氢氘灯的波长时，实验所得的数据为：486.19nm，而标准的氢氘灯波长为486.13nm。

相对误差Δ3=（486.19-486.13）/486.13=0.012% 。

4.结论
在测量钠灯谱线波长时，定标可能出现一些系统误差，同时中心波长的选取也造成一定的误差。

中心波长的选取一定程度决定了本实验的成败，在测量氢氘灯的波长时，中心波长依然不变，则只能测定出一条谱线，实际氢氘灯的谱线分布处于400nm —500nm间有三条谱线，分别为486.13nm、434.04nm、410.17nm，中心波长依然为550nm 时只能测出一条谱线，而且相对误差较大。

使用该仪器进行光谱分析时，如果观察到的谱线距离中心波长较远时，可以将中心波长调至测量谱线附近，重新定标测量。

实验中采用线性定标，是因为光栅方程为dsinθ=mλ(m=0,±1,±2，…）其中θ较小时，sinθ≈θ，所以采用线性定标较为标准，但是在距离中心波长较远的位置，θ较大，此时误差就较大，所以如果观察到的谱线距离中心波长较远时，可以将中心波长调至测量谱线附近，重新定标测量。

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