單色儀的調(diào)節(jié)和使用

1、單色儀的調(diào)節(jié)和使用院系：07023姓名：王曦澤學(xué)號(hào)：pb07210077實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤鈻艈紊珒x的原理、結(jié)構(gòu)和使用方法，通過測(cè)量鴇燈、鈉燈和汞燈的光譜了解單色儀的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)原理:、光柵單色儀的結(jié)構(gòu)和原理gm2m1s1pmts2s1:入射狹縫s2:出射狹縫 m1 :離軸拋物鏡g:閃耀光柵 m2:反光鏡 pmt :光電倍增管圖1光柵單色儀的分光系統(tǒng)光柵單色儀的分光系統(tǒng) 如圖1所示， 光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的光束 均勻地照亮在入射狹縫s1上，s1位于離軸拋物鏡m1的焦平面上，光通過 m1變成平行光照射到光柵上，再經(jīng)過光柵衍射返回到 m1 ,經(jīng)過m2會(huì)聚到出射狹縫s2,由于光柵的分光作用，從s2出射的光為

2、單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從 s2出射的光 由短波到長(zhǎng)波依次出現(xiàn)。當(dāng)入射光與光柵面的法線n的方向的夾角為見圖2)時(shí)，光柵的閃耀角為仇(光柵面和光柵刻槽面的夾角，因此也是刻槽面法線和光柵面法線 n和n 之間的夾角)。取一級(jí)衍射項(xiàng)時(shí)，對(duì)于入射角為 外而衍射角為日時(shí)，光柵方程式 為：d(sine+sin9)二九因此當(dāng)光柵位于某一個(gè)角度時(shí)(蟲日定)，波長(zhǎng)久與d成正比，角度的符號(hào)規(guī)定由法線方向向光線方向旋轉(zhuǎn)順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。幾何光學(xué)的方向?yàn)殚W耀方向，所以可以算出不同入射角時(shí)的閃耀波長(zhǎng)，由于幾何光學(xué)方向?yàn)槿肷浣堑扔诜瓷浣堑姆较?，即?-*=-0-(-*),所以有，日=2久-光柵方程式改為，d(sin s

3、in(2 b - )=本次實(shí)驗(yàn)所用光柵，為每毫米1200條刻痕，一級(jí)光譜范圍為380nm 1000nm,刻劃尺寸為64 m64mm 2。當(dāng)光柵面與入射平行光垂直時(shí)，閃耀波長(zhǎng)為570nm 。由于此時(shí)入射角4=0,求得g =21.58:再代入光柵方程式可以求得當(dāng)入射角改變時(shí)實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)光的閃耀，如 e=5110二,30二時(shí)，九=587nm , 600.5nm , 606.3 nm 。3狹縫是單色儀的關(guān)鍵部件，它的寬度范圍是03mm ,每格為0.005mm圖3狹縫寬度與光譜寬度的關(guān)系曲線圖5狹縫寬度與光譜分辨率及光譜強(qiáng)度的關(guān)系曲線儀器不工作時(shí)狹縫開啟寬度應(yīng)放在最小的位置。 在調(diào)節(jié)狹縫寬度時(shí)切記不要用

4、力 過猛和過快，要仔細(xì)緩慢的調(diào)到所要求的值。 狹縫應(yīng)該調(diào)到它的最佳寬度，為了 說明這個(gè)問題先作一定的假設(shè)，設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點(diǎn)為獨(dú) 立的點(diǎn)光源），首先設(shè)狹縫為無限細(xì)，由衍射理論和實(shí)驗(yàn)可知譜線的半寬度約為： an=0.86f ,這里土為光的波長(zhǎng)，f為離軸拋物鏡的焦距，d時(shí)由光柵和拋物鏡 的口徑限制的光束的直徑，當(dāng)狹縫 a逐漸變寬時(shí)譜線寬度的變化如圖3所示， 圖4為狹縫寬度與光譜的分辨率 r和光譜線的強(qiáng)度i的變化。由圖4可見縫寬過大時(shí)實(shí)際分辨率下降，縫寬過小時(shí)出射狹縫上得到光強(qiáng)太小，取 a=an最好根據(jù)光學(xué)的理論知識(shí)可以知道，光柵的特性主要有：譜線的半角寬度、角色散率和光譜分辨本

5、領(lǐng)。理論上它們分別為：d1二nd cos 二d md r = r = = mn- d d cosd ,m為所用的光的式中n為光柵的總線數(shù)，在本實(shí)驗(yàn)中 n為64m 1200=76800衍射級(jí)次，本實(shí)驗(yàn)中 m=1。實(shí)驗(yàn)中由于光學(xué)系統(tǒng)的象差和調(diào)整誤差，雜散光和噪聲的影響，加上光源的譜線由于各種效應(yīng)而發(fā)生增寬， 所以實(shí)際的譜線半角寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論值，因此光譜儀的實(shí)際分辨本領(lǐng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于76800。4.單色儀的接收系統(tǒng)在本實(shí)驗(yàn)中使用光電倍增管，（也可以使用線陣ccd）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:1h電源燈opmt 曲 總開關(guān)報(bào)警燈本機(jī)計(jì)算機(jī)波長(zhǎng)顯示器o 二 or手動(dòng)掃描掃描速度掃描方向掃描啟停1.熟悉儀器的使用，對(duì)照上圖了

6、解單色儀主機(jī)各開關(guān)及旋鈕的作用和使用方法,學(xué)會(huì)利用測(cè)光儀和計(jì)算機(jī)測(cè)量光譜的方法。wdpf-c型測(cè)光儀鴇燈高壓開關(guān).高壓放大調(diào)節(jié)高壓調(diào)節(jié)測(cè)光儀正面信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)9開 0 o no測(cè)光儀背面2.檢查單色儀的入射狹縫寬度是否合適。出射狹縫由實(shí)驗(yàn)室事先調(diào)好不需檢查。3 .利用鴇燈和主機(jī)上波長(zhǎng)顯示器和測(cè)光儀上的數(shù)字顯示測(cè)量通過濾光片的透過率。4 .測(cè)量汞燈的576.96nm與579.96nm 兩條光譜線，并根據(jù)這兩條分立光譜線計(jì)算出單色儀的實(shí)際分辨本領(lǐng) ro方法：利用計(jì)算機(jī)上的“單色儀”應(yīng)用程序，先設(shè)定好當(dāng)前位置和積分時(shí)間，然后利用分段掃描f3測(cè)出a和b ,估計(jì)出垢和入2的值。再利用歸峰掃描f5測(cè)出精確的%

7、和九2的值數(shù)據(jù)處理：0.本實(shí)驗(yàn)中用到的一些已知量：?jiǎn)紊珒x中等效會(huì)聚透鏡的焦距f=500mm光柵的面積64 64mm 2光柵的刻劃密度為1200線/mm1.分別測(cè)量無濾波片時(shí)與加濾波片時(shí)的鴇光相對(duì)光強(qiáng)分布曲線:波長(zhǎng)（nm ）波長(zhǎng)（nm ）加濾光片i時(shí)光強(qiáng)不加濾光片時(shí)不加濾光片i。加濾光片i400.6400.29368410.3410.6140101420.2420.5181134430.2430.3236179440.2440.1276226450.3450.1352278460.3460.2403335470.2470.5462379480.3480.1482433490.2490.25064

8、78500.4500.1543519510.3510.2742545520.2520.28441260530.2530.39031230540.2540.19701165550.3550.210031086560.2560.11038984570.4570.11080867580.2580.21136742590.3590.31162615600.3600.11162499610.3610.21175391620.3620.21148301630.2630.31090222640.3640.61023163650.4650.2946119660.4660.385982670.2670.2770

9、58680.2680.268142690.4690.659028700.3700.551221710.3710.843516720.5720.337612730.3730.43188740.2740.52697750.2750.42277根據(jù)表一用oringin繪制曲線得波長(zhǎng)相對(duì)光強(qiáng)曲線:相對(duì)光強(qiáng)1000 加濾波片曲線不加濾波片曲線800 -600 -400200 -0 t- 3504004505005506006507007508001 /nm又由e = h c =1241.37 m 1 ev繪制能量相對(duì)光強(qiáng)曲線: 九九相對(duì)光強(qiáng)加濾波片曲線不加濾波片曲線1000800600400200e/e

10、v1.61.82.02.22.42.62.83.03.2由透光率p就繪制其透光率曲線:相關(guān)分析：可以看出，濾光片的透過率隨入射光的波長(zhǎng)變化而變化。 波長(zhǎng)位 于中間時(shí)，透過率比較大，本次實(shí)驗(yàn)中約為 82%;本次實(shí)驗(yàn)中，波 長(zhǎng)介于600nm和750nm之間時(shí)透過率隨波長(zhǎng)增大明顯減小?？梢杂帽∧じ缮鎭斫忉專哼@里認(rèn)為膜的折射率大于其兩側(cè)介質(zhì)（空氣）的折射率，對(duì)膜的兩個(gè)表面的反射光來說，是有半波損失的。此兩束相干光若干涉相消，則可以增大透射光線的強(qiáng)度。光程差2nh=m入時(shí)干涉相消（m= 1, 2,）。對(duì)膜而言，折射率和厚度 都是一定的，所以干涉級(jí)數(shù)和波長(zhǎng)的乘積為定值。 濾光片是為了選擇 一個(gè)特定波長(zhǎng)的光

11、（記其波長(zhǎng)為 入0）而制作的，故m是取定的，往 往取m=1。入射光波長(zhǎng)？= 2+ 入與2較接近時(shí)，混一小量， 對(duì)干涉相消的條件影響不大，故其透射率比較穩(wěn)定；而當(dāng)入射光波長(zhǎng)與o相差較大時(shí)，入不可以忽略，反射光的光程差 2nh不能滿足干涉相消的條件，磁大，反射光的光強(qiáng)越大，透過率越小。2.測(cè)量led的相對(duì)光強(qiáng)譜線:九/nmi 3兒/nmi 3兒/ nmi 3400.5-10455.4609510.219405.5-9460.6801515.37410.4-8465.4852520.32415.3-5470.5713525.3-3420.62475.5506530.5-5425.517480.634

12、5535.7-6430.442485.4232540.3-7435.588490.4146545.5-9440.6165495.588550.3-9445.3268500.354450.3417505.332通過oringin繪制曲線有:相對(duì)光強(qiáng)1000，800600200 -380400420440460480500520540560 , /ri ii m又由e =h& =1241.37ev得其能量相對(duì)光強(qiáng)曲線: 九九相對(duì)光強(qiáng)10008006004002000 -2.22.42.62.83.03.2 e / ev3.測(cè)量汞燈的光譜:波峰位置/nm半寬高/nm1577.01503.42/8.7

13、0*0.3200=0.12582579.24503.93/8.70*0.3200=0.1445由分辨本領(lǐng) = 2_得：ri=577.0150/0.1258=4586.7657r 2=579.2450/0.1445=4007.1809誤差分析：1 .由實(shí)驗(yàn)可知鴇燈和led燈的光譜為連續(xù)譜，而汞燈的光譜為分立 譜。這是由它們不同的發(fā)光機(jī)制造成的：據(jù)百度知道，led的工作中心是塊晶片，可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子和空穴就會(huì)被推向 量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā) 出能量，這就是led發(fā)光的原理；汞燈是由原子內(nèi)部電子發(fā)生 能級(jí)躍遷造成的，所以光

14、譜是分立的。2 .分辨本領(lǐng)的理論值為76800 ,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其相去甚遠(yuǎn)，可能原因： 一方面理論值的計(jì)算是在理想情況下進(jìn)行的做了很多近似，另一方面可能是儀器存在不同程度的磨損，從而較大的影響了測(cè)量結(jié)果。思考題:1 .說明鴇燈和鈉燈、汞燈光譜的區(qū)別和道路?答：鴇燈發(fā)光的光和自然光相類似，光譜是連續(xù)的，而鈉燈、汞燈光 譜是分立的。這是由于其發(fā)光機(jī)制不同造成的：鴇光是高溫固體 發(fā)熱產(chǎn)生的熱光譜，而鈉燈、汞燈是氣體原子躍遷產(chǎn)生的，故光 子能量是分立的。2 .為什么狹縫具有最佳寬度，怎樣求出最佳寬度？答：由圖5可知狹縫變寬分辨率圉5狹韁寬度與光譜分辨率及光譜居度的關(guān)系曲線裂下降而太窄時(shí)則光強(qiáng)太小，不便測(cè)量。故最佳寬度在fan = w0 = 0.86 d八“ fa = an = w0 = 0.86 d即為最佳寬度。3 .單色儀的理論分辨率如何計(jì)算？實(shí)際分辨本領(lǐng)如何測(cè)量？答：理論分辨本