光学多道分析器.doc

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1、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、基本原理图1 光学原理图M1: 反射镜、M2: 准光镜、M3: 物镜、M4: 转镜、G: 平面衍射光栅、S1: 入射狭缝、S2: CCD接收位置、S3: 观察窗（或出射狭缝）S1M2M1 M3S2GM4S3S2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射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。本实验通

2、过测量几种发光体在可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CT型，如图1，入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围02mm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，衍射后的平行光束 经物镜M3（球面反射镜）和平面反射镜M成像在S2上，或转动M使光从S出射以便观察。在S出射窗口形成的1的光谱带

3、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已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。bdbanN图通常，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

4、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M4是闪耀光栅。闪耀光栅是一种反射光栅，其原理如图所示。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b，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级是怎样与槽间干涉级错开的呢？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L=2d

5、sinb。满足下式的1b叫做级闪耀波长：2dsinb =1b光栅的单槽衍射级亮纹正好落在1b光波的级谱线上。又因闪耀光栅中的a=d，1b光谱中的其它级（包括级）都几乎落在单槽衍射的暗线位置而形成缺级。这样一来，的光能集中到1b光的级谱线上，使其强度大大增加。显然，1b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级主峰有一定宽度，它可容纳1b附近一定波段内其它波长的级谱线，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级闪耀波长b附近的级光谱中去。b满足2dsinb =b总之，我们通过闪耀角b的设计，是光栅适用于某一特定波段的

6、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 320500nm（只让此波长段的光通过）黄片 500900nm（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. 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 2052. 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。.

7、安装方法显 示 器打 印 机计 算 机电 箱电箱单 色 仪键 盘图 联线示意图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求。工作台必须平稳。系统联线示意图如图: .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。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0.10.5mm左右

8、。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.2 软件的安装（参见仪器使用说明书）四操作方法.1 工作界面介绍进入系统后，首先弹出如图的友好界面，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，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。图图完成上面几步，就可以在WGD6软件平台

9、上工作了(工作界面如图)下拉菜单主工具栏工作存储器选择区工作区辅工具栏状态栏参数设置区存储器信息提示区工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及存储器信息提示区等组成。图图.1.1 菜单栏菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数据”、“数据图形处理”、“关于”等菜单项。单击这些菜单项可弹出下拉菜单，利用这些菜单即可执行软件的大部分命令。下面简单介绍菜单栏中各菜单的功能：1.“文件”菜单（如图）新建 清除当前实验的所有数据打开 打开一个已经存在的数据文件保存 把所选择的存储器中的数据保存到文件中打印设置 设置打印机的属性及打印参数 打印预览 显示打印时

10、文件的外观打印 打印当前的谱线及数据退出 退出WGD6控制处理系统2.“信息”菜单（如图）信息输入 输入采集环境及其它信息 图网格 显示网格坐标显示中心波长位置 在显示的坐标系统上显示中心位置3.“运行”菜单（如图）实时采集 在当前位置循环采集数据并显示三维显示 采集当前的谱线，并在三维坐标中显示模拟照相 模拟摄谱仪，把底片效果显示在屏幕上停止 停止实时采集手动前进 波长向长波方向移动指定的间隔手动后退 波长向短波方向移动指定的间隔 图背景记忆 记录当前的暗环境，便于采集时扣除清除背景记忆 清除记录的背景检索 把中心处的波长移动到指定的波长位置图10重新初始化 对波长进行重新定位，参数重新设置

11、4.“数据处理”菜单（如图）读取谱线数据 读取指定谱线上各点的数据读取坐标点数据读取坐标面上各位置的坐标扩展 对谱线进行局部放大取消扩展 取消本次实验的所有扩展手动定标 使用标准谱标定波长自动定标 使用定标公式进行定标信道/波长转换信道/波长两种显示方式中变换寻峰 检索峰、谷的位置显示峰谷 在谱线上标记峰谷的标志显示峰谷数据 显示谱线上峰谷对应的信息图显示方式 选择显示峰谷信息的方式平滑 平滑选定的谱线计算 对设置的谱线进行计算显示 根据设置显示谱线清除数据 清除选定的数据刷新 刷新屏幕5.“数据图形处理”菜单（如图）波长修正 修正波长光栅 根据所使用的光栅，选择相应的光栅参数6.“关于”菜单

12、关于 CCD System显示版本信息.1.2 工具栏软件提供了两个工具栏，每个工具栏由一组工具按钮组成，分别对应某些菜单项或菜单命令的功能，用户只需用鼠标左键单击按钮，即可执行相应的操作或功能。.1.3 工作区工作区是用户绘制、浏览、编辑谱线的区域。工作区可同时显示多条谱线。.1.4 状态栏状态栏用于反映当前的工作状态。另外，当定点设备指向某一菜单项或按钮时，会在状态栏显示相应的功能说明。.1.5 参数设置区设置工作方式、工作范围及工作状态等参数。.1.6 存储器信息提示区显示各存储器的信息。.1.7 存储器选择及波长显示栏选择当前存储器，显示当前中心波长位置。.2 功能介绍（参见仪器使用说

13、明书）五实验内容、 按实验原理图连接好线路，打开汞灯电源开关，将扳手放在“观察”档，将汞灯放在入缝处，调节缝S1和S至适当宽度以在S处能观察到汞灯的清晰谱线为宜。、 将扳手放在“CCD”档，启动计算机，运行WGD6应用程序进入工作界面。、 设置好参数区中各项参数，将起始波长调到320nm，单击背景记忆命令以扣除环境因素。、 启动实时采集，在屏幕上将显现汞光源的一系列谱线，单击手动前进和后退按钮，使几条谱线显示在屏幕中央。、 单击手动定标按钮，移动光标至谱线峰值处，回车，将标准波长输入到定标对话框中，单击“添加下一个” 按钮，移动光标至另一谱线峰值处，将另一已知标准波长输入到定标对话框中，再单击

14、“定标” 按钮进行线性定标。、 此时，屏幕工作区的横坐标自动从信道数变成了波长，改用钠灯，转动M4，使谱线成像于观察屏上，只调节钠灯的位置，不要改变其它设置，使谱线强度为最强。、 转动M4，启动实时采集，逐一读取钠光谱的各谱线波长并保存数据。、 改用红、绿、蓝等发光二极管作光源，重复步骤和，保存数据。六数据处理、 用汞灯定标后，读取钠光谱的双黄线的波长值，与标准值对比，计算实验误差。、 给出发光二极管的谱线图并说明其特征。七注意事项、 扳动扳手要轻扳轻放，移动光源要注意安全。、 定标之后不要调整界面参数，也不可单击手动前进和后退按钮以保持采集帧的固定。、 为延长使用寿命，狭缝调节时注意最大不超过2mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.10.5mm左右。、 为保护CCD接收系统，请避免强光直射入缝。八思考题、 波长修正与定标有什幺区别？定标的方法不同对实验误差有何影响？、 本仪器系统用来做光谱分析有何不足？、 在暗室环境下，打开日光灯，能否发现546.1nm的谱线、 试简要设想一份用氢灯做氢光谱的实验计划。九附：发光二极管谱线图（1）发射光谱曲线 图一典型发光二极管发射光谱曲线（2）发光强度Iv和正向电流If 关系曲线 图二典型发光二极管发光强度iV和正向电流的关系曲线