光栅光谱仪实验讲义.doc

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1、1光栅光谱仪实验光栅光谱仪实验浙江大学光电信息工程实验中心一一 实验目的实验目的 1、了解光栅的分光原理及主要特性； 2、了解光栅光谱仪的工作原理； 3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法；二二 实验仪器实验仪器 1、低压汞灯及电源：发光波长 404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm； 2、透镜及固定调节架 2 个：（焦距 f=45mm，口径 38mm；焦距 f=190mm，口径 38mm） ； 3、狭缝及固定调节架 1 个：02mm； 4、光栅及固定调节架 1 个：光栅自制； 5、USB 接口摄像头及固定调节架 1 个； 6、计算机及软件；三三 实验原

2、理实验原理衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，它的记录介质多采用光致抗蚀剂，一般用激光器作光源，可产生每毫米几千条对的空间频率的光栅，并且通过曝光和显影，直接得到浮雕型的正弦透射光栅。相邻刻线的间距 d 称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。当平行光入射到一块平面衍射光栅时，让衍射光波经过一透镜，则在透镜焦平面上得到光栅的夫琅和弗衍射图象，见图一。如果光源是平行于光栅刻痕的狭缝光源发出的准单色光，则衍射花样是一些分立的亮线（亮条纹） 。图一 光栅衍射图亮纹位置满足如下条件光栅方程式 （1）2, 1, 0,)sin(sinmmidm式中，d 为光栅常数，d=

3、a+b， 在可见光范围内，d 一般在 1/10001/500mm 之间。为第 m 级亮m纹对应的衍射角， 为入射光波长，i 为入射平行光对光栅面的入射角，m 为多缝干涉主极大级数。入射2光处于光栅面法线同侧的亮条纹时上式中取正号；异侧时取负号。光栅上的每一条缝的单缝衍射在 方向上 P 点产生一个光振动，N 条缝在 P 点产生的 N 个光振动的振幅相同，他们的相干叠加决定了 P 点的光强，光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉的总效果。亮纹（主极大）中心位置满足光栅方程中 m0， （0）时，dsin0 为中央明纹中心。其他亮纹（主极大）中心位置：满足多缝干涉的光栅方程： （2）sin,0,1, 2mdmm

4、 不满足单缝衍射暗纹条件：（3）sin,1, 2,3mamm m为单缝衍射暗纹级数。 （2、3）式要同时满足，才会出现主极大暗条纹位置：（4）(21)sin,0,1, 22mmdm （5）sin,1, 2,3mamm （4、5）式只需满足一个便是暗纹。1光栅的色散光栅的色散复色光入射时，除零级外各波长的衍射亮线分开，各色同级亮级分开的程度用光栅的色散来表示。定义：角色散（弧度/埃） ； 当小时，。 cosdm dddm dd线色散 （毫米/埃） 。fdd ddl 可见光栅的色散与光波长无关，它仅决定于光栅常数 d 和被考察亮线的级次 m，色散是作为分光元件的衍射光栅的重要特性参数。根据光栅方程

5、，只要测得某光波第 m 级亮级的衍射角，并已知光栅常数 d 和入射角 i，则可求得m该光波波长。同时，如果测得各色光第 m 级亮线的衍射角 ，则可算得各色光的波长差，求得第 m 级亮线的角色散。为会聚透镜的焦距。f 2光栅的色分辩本领光栅的色分辩本领光栅的色分辩本领用波长 附近能被分辩的最小波长差的比值来表示，即：mN式中 m 是光谱级次，N 是光栅的总刻痕数。3光栅的自由光谱范围光栅的自由光谱范围3光栅光谱中，不发生越级的最大光谱范围称为光栅的自由光谱范围，表示为m/可以看出，光栅的色分辩本领正比于刻痕数 N 和级次 m，但自由光谱范围反比干涉级次 m，所以光栅使用时应根据需要合理地选择参数

6、。四实验装置四实验装置光栅光谱实验装置如图二所示，光源发出的光经透镜 A 汇聚到狭缝上，狭缝放置在透镜 B 的前焦面上，出来的平行光入射到光栅上，通过摄像头自带的透镜成像到光电接收器。图二 光栅光谱实验装置五实验步骤五实验步骤1 启动汞灯。观察光源发出连续的光，而不是时断时续即可。2 利用现有平台布置光路，放置透镜 A（焦距45mm） ，使得光源发出的光汇聚到狭缝面上，同时要求狭缝位于光斑的中心位置。3 调节狭缝宽度为 1mm。狭缝宽度范围 02mm 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，最大调节宽度为 2mm。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意最

7、大不要超过 2mm。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最好调节到 0.1mm0.5mm 左右。4 调节透镜 B 位置，使狭缝处于透镜 B 的前焦面上，经透镜 B 后成为平行光。5 调节光栅的位置，观察反射光使其与狭缝重合。6 启动计算机，运行计算机桌面上的软件 TopSpeed amcap.exe 采集光谱图像。主要操作步骤如下： 1） 调整软件设定（选项/格式/输出大小） ，使采集光谱图像的分辨率 800600 或 1024768；颜色空间压缩选用 YUY2、频率 30Hz。2） 调整曝光量（选项/属性/相机/曝光）和亮度（选项/属性/颜色/亮度） ，同时调节摄像头与光栅的位置，使得光谱图像显

8、示效果最佳。光栅光谱图像如图三所示。光源Lens A狭缝Lens B光栅f摄像头4图三 光栅光谱图像3） 按计算机 PrtSc Sys Req 按键，用附件中的画图软件或图像处理软件保存光谱图像（文件选用JPG 格式，保存至桌面/光谱/testimage 目录下。 ）4） 改变狭缝的大小，记录相应的光谱图像。5） 改变光源，观察节能灯、LED 的光谱，并记录相应的光谱图像。六实验数据处理六实验数据处理1 运行桌面/光谱/pic1 软件，读入光谱图像，移动 Y 方向滑块至适当位置即可得到光谱曲线。2 系统波长进行校正：利用汞灯的五根谱线的波长值（标准值为404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm）来进行测量系统的波长校准。3 根据波长校正后的测量系统，测量节能灯和 LED 的光谱(峰值波长、光谱范围)七讨论和思考七讨论和思考1 能否用实验测量值计算衍射一级亮纹的角色散，分辩本领，如何计算？2 影响系统光谱分辨力的参数有那些？3 提出你对实验系统的改进建议。 注意事项注意事项 1在动手调整之前，务必认真熟悉系统的结构及调整、使用方法，在使用光学元件时，手指不要触及光学元件表面。2用衍射光栅测量波长之前应认真调整光栅面与望远镜镜光轴垂直，在使用光栅时，严禁手指触及光栅面。3低压汞灯开启后须有 10 分钟左右的稳定时间才能进行测量。