光栅单色仪的调整和使用

大学物理实验报告

实 验 报 告

6 系 08 级 学号 PB08210240 姓名 陈 立 日期 2010-4-13

光栅单色仪的调整和使用

1666年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。棱镜单色仪和光栅单色仪的优缺点的比较是：棱镜的工作光谱区受到材料的限制，光的波长小于120nm，大于50 m时不能用棱镜分光。光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率与波长有关。棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。可是光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没有。本实验的目的是了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。 实验原理

一、 光栅单色仪的结构和原理

如图1 所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。单色仪的光源有：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）、 电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。

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光栅单色仪的分光系统如图2所示，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜M1的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。图2 所示为李特洛式系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高，更换光栅方便。 分光系统栅，以磨光的膜的玻璃板为刀在其上面刻的槽面形成光加工要求很光栅是该光栅将单缝衍射因

中的光栅是闪耀光金属板或镀上金属坯子，用劈形钻石尖

画出一系列锯齿状栅，由于光栅的机械高，所以一般使用的

复制的光栅，它可以子的中央主极大移

至多缝干涉因子的较高级位置上去。因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大即几何光学的方向集中了光的大部分能量，这个方向就是闪耀光栅的闪耀方向，使用闪耀光栅可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比。

当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为 （见图3）时，光栅的闪耀角为 b（光栅面和光栅刻槽面的夹角，因此也是刻槽面法线和光栅面法线N和n之间的夹角）。取一级衍射项时，对于入射角为 ，而衍射角为 时，光栅方程式为：

d(sin ＋sin )=

因此当光栅位于某一个角度时（ 、 一定），波长 与d成正比，角度的符号规定由法线方向向光线方向旋转顺时针为正，逆时针为负。几何光学的方向为闪耀方向，所以可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于反射角的方向，即， b ( b)，所以有，

2 b ，光栅方程式改为， d(sin sin(2 b ))

本次实验所用光栅，为每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm—1000nm, 刻划尺寸为64 64mm2。当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm。由于此时入射角 ＝0，求得

b 21.58 ，再代入光栅方程式可以求得当入射角改变时实现不同波长光的闪耀，如 5 ,10 ,30

时， ＝587nm，600.5nm，606.3 nm。

3 狭缝是单色仪的关键部件，它的宽度范围是0—3mm，每格为0.005mm

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W0

R

I

a/an

1

2

1

图4 狭缝宽度与光谱宽度的关系曲线

a/an

图5 狭缝宽度与光谱分辨率及光谱强度的关系曲线

仪器不工作时狭缝

开启宽度应放在最小的位置。在调节狭缝宽度时切记不要用力过猛和过快，要仔细缓慢的调到所要求的值。狭缝应该调到它的最佳宽度，为了说明这个问题先作一定的假设，设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源），首先设狭缝为无限细，由衍射理论和实验可知谱线的半宽度约为：an 0.86

f

，这里 为光的波长，f为离轴抛物镜的焦距，D时由光栅和抛物镜的口D

径限制的光束的直径，当狭缝a逐渐变宽时谱线宽度的变化如图4 所示，图5 为狭缝宽度与光谱的分辨率R和光谱线的强度I的变化。由图5 可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取a=an最好。

根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。理论上它们分别为：

式中N为光栅的总线数，在本实验中N为64 1200=76800，m为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。 4

、单色仪的接收系统在本实验

中使用光电倍增明光电倍增管的次电子发射效应度高、稳定性好、

图6 光电倍增管的结构

d

Ndcos

D

d m

d dcos

R

mNd

管，（也可以使用线阵CCD）。下面说原理，它是利用光电子发射效应和二制成的光电器件。其主要优点是灵敏响应速度快和噪音低。其主要缺点是

结构复杂、工作

电压高、体积大。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。光电倍增管的基本结构和工作原理如下：当光子打到光电倍增管（简称GDB）的光电阴极

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K上时，由于光电效应会产生一些光电子，这些光电子在光电倍增管中的电场作用下飞向阳极A，在阴极K和阳极A之间还有n个电极(D1—Dn)叫做倍增极，从图中可以看出极间也有一定的电压（几十到百伏），在极间电压的作用下飞向阳极A的光电子被一级一级的加速，在加速的过程中它们以高速度轰击倍增极，使倍增极产生二次电子发射，这样就使得电子的数目大量增加，并逐极递增，最后到达阳极的电子就会很多，形成很大的阳极电流，由于倍增极的倍增因子基本是常数，所以当光信号变化时，阴极发射的电子的数目也随之变化，从而阳极电流也随着光信号发生变化。这样光电倍增管就可以反映光强随时间的变化。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。在本实验中高压为-450伏左右。

图 7 单色仪外观图

（1）入射狭缝 （2）出射狭缝 （3）出射狭缝前后调节螺钉 （4）波长显示器 （5）手动扫描旋钮 （6）仪器铭牌 （7）扫描速度旋钮 （8）扫描方向开关 （9）扫描启停开关 （10）电源指示灯 （11）报警灯 （12）电源开关 （13）本机/计算机转换开关 （14）前透镜 （15）钨灯 （16）导轨 （17）光电倍增管 （18）测光仪后面板 （19）测光仪前面板 （20）光电头电缆 （21）钨灯电缆 （22）计算机电缆

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