光柵光譜儀系統(tǒng)試驗報告

1、班級姓名學號光柵光譜儀實驗報告2012.3.27光柵光譜儀系統(tǒng)(Gratingspectrum-metersystem)主講教師：嚴祥安光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面，都發(fā)揮著極大的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，如何獲得單波長輻射是不可缺少的手段。由于現(xiàn)代單色儀可具有很寬的光譜范圍(UV-IR),高光譜分辨率(到0.001nm),自動波長掃描，完整的電腦控制功能極易與其他周邊設(shè)備融合為高性能自動測試系統(tǒng)，使用電腦自動掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的首選。一、實驗目的1 .掌握發(fā)射光譜測試系統(tǒng)，光學元件的透射率光譜，反射率光譜測試系統(tǒng)以及熒光光譜

2、測試系統(tǒng)的搭建2 .學習利用電腦自動掃描多光柵單色儀測試各種光源特性譜線，學會分析各種光學元件的反射、透射譜線。3 .學習利用組合多光柵單色儀測試物質(zhì)熒光光譜，分析熒光物質(zhì)成分。二、光柵光譜儀測試系統(tǒng)組件名稱1. LHD30笊燈光源室+LPD30ft燈穩(wěn)流電源(Deuteriumlamphouseanddeuteriumpowersupplyforsteadycurrent)2. LHX150高壓氤燈光源室+LPX150高壓氤燈穩(wěn)流電源(Xelamphouseandsteadypowersupplyinhighvoltage)3. LHT75澳鴇燈光源室+LPT75澳鴇燈穩(wěn)流電源(bromin

3、etungsten)4. LHM25被長校準汞燈光源(TheHglamphouseforcalibratinggrating,thecharacterwavelengthis254nm)5. NFC-532-15陷波濾波裝置The532nmwavelengthisboundwhenlightfromthelamphousecrossingthefilter.6. SPB300300m此柵光譜儀(thefocusis300nm)7. SPB500500mm6柵光譜儀8. SD六擋濾光片輪thelightfilerforsixsteps9. SAC三口樣品室samplehouse10. DCS10

4、縱據(jù)采集器dataacquisitionimplement11. PMTH-S1-CR131光電倍增管photomultipliertube12. HVC1005高壓穩(wěn)壓電源regulatedpowersupplyinhighvoltage13. DSI300硅光電探測器siliconphotondetector三、光柵基礎(chǔ)知識及實驗原理圖當一束復合光線進入單色儀的入射狹縫，首先由光學準直鏡匯聚成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長(顏色)。利用每個波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。下面簡單介紹一下有關(guān)光柵的一些基礎(chǔ)知識1 .光柵基礎(chǔ)光柵作

5、為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個系統(tǒng)性能。光柵分為刻劃光柵、復制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機械刻劃而成；復制光柵是用母光柵復制而成。典型刻劃光柵和復制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可做到高光譜分辨率。選擇光柵主要考慮如下因素：(1)閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點，因此選擇光柵時應盡量選擇閃耀波長在實驗需要波長附近。如實驗為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm(2)光柵刻線，光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜

6、覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實驗靈活選擇。光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。2 .光柵方程圖i反射式衍射光柵反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級次。如圖i所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為a,衍射角為B,衍射級次為m,d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：d(s

7、insin)=m(1)定義小為入射光線與衍射光線夾角的一半，即(|)=(a-B)/2;9為相對于零級光譜位置的光柵角，即8=(a+B)/2,得到更方便的光柵方程：2dcossin"=m從該光柵方程可看出：(1)對一給定方向B,可以有幾個波長與級次m相對應人滿足光柵方程。比如600nm的一級輻射和300nm的二級輻射、200nm的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級光譜濾光片輪的意義。衍射級次m可正可負。(2)對相同級次的多波長在不同的B分布開。(3)含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變a,則在a+B不變的方向得到不同的波長。3 .不同測試系統(tǒng)實驗原理圖透射/反射光譜光度系

8、統(tǒng)PMTH-S1-CR131光電倍增探測器源電壓穩(wěn)壓wiECHDVH器制控儀色LPT75溟鴇燈穩(wěn)流電源LHT75溟鴇燈光源四、以澳鴇燈為光源測試材料的反射、透射光譜實驗步驟1 .澳鴇燈光譜范圍(1) 澳鴇燈光譜響應范圍：2502500nm(2) DSI200硅光探測器探測范圍：2001100nm2 .采用硅光探測器探測反射、透射譜線(1) 將數(shù)據(jù)采集器后板單色儀口(monochromator)用數(shù)據(jù)線與單色儀SBP300連接，再將單色儀的輸出口與電腦主機的數(shù)據(jù)線口連接(2) 將澳鴇燈電源輸出端(Lamp與澳鴇燈光源室連接(3) 開啟澳鴇燈電源，電源指示燈亮(4) 預熱大約兩秒中之后，調(diào)節(jié)電流旋

9、紐，此時面板左端將顯示電流變化值，調(diào)節(jié)電流值到工作電流范圍內(nèi)(5A6.25A)。(5) 將SBP30沖色儀電源開關(guān)打開，將聽到光柵轉(zhuǎn)動的喀嚓聲，待聲音停止后再打開數(shù)據(jù)采集器的開關(guān)。(6) 打開樣品室，調(diào)節(jié)載物臺，使光線完全進入樣品室的出射狹縫。(7) 打開SCS光譜儀控制系統(tǒng)，進入數(shù)據(jù)采集界面，在左上角選擇參數(shù)設(shè)置，進入?yún)?shù)設(shè)置界面(8) 數(shù)據(jù)采集器有兩個通道(A,B),觀察探測器與哪個通道連接，然后在參數(shù)設(shè)置中選擇相應的通道，由于我們用的是硅光探測器探測信號，所以我們選擇模式為電壓輸入，再選擇合適的增益數(shù)。(9) 參數(shù)設(shè)置完之后按確定按紐，如果采集系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)“連接成功”紅色字樣再進入數(shù)據(jù)采

10、樣界面，選擇采樣光柵數(shù)，對起始波長、終止波長以及掃描間隔設(shè)數(shù)，然后進行采樣。五、熒光檢測試驗步驟1 .以氤燈為激發(fā)光源(1) 氤燈光譜響應范圍：2001800nm(2) PMTH-S1-CR131光電倍增管探測器響應波長范圍：185900nm(3) 過光電倍增管探測器探測熒光譜線(2)將數(shù)據(jù)采集器后板單色儀口(monochromator)用數(shù)據(jù)線與單色儀SBP500連接，再將單色儀(SBP30SSBP300的輸出口與電腦主機的數(shù)據(jù)線口連接(3)將HVC10051高壓穩(wěn)壓電源的輸出電壓口與光電倍增管的高壓線口連接(4)將氤燈電源輸出端(氤燈電源)與氤燈光源室連接(5)開啟氤燈電源，電源指示燈亮(

11、6)將電流調(diào)節(jié)旋紐順時針調(diào)到最大，再按觸發(fā)按紐，氤燈光源室燈變亮后松開觸發(fā)按紐，然后調(diào)節(jié)電流旋紐到工作電流范圍內(nèi)(氤燈工作電流:7.59A)(7)通過計算機控制SBP30沖色儀，選擇可見光范圍內(nèi)的一入射波長，打開樣品室，調(diào)節(jié)載物臺，使通過載物臺上直角棱鏡上的反射光能完全進入樣品室的出射狹縫上，然后選擇合適的材料的激發(fā)波長。(8)打開HVC10051高壓穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)連續(xù)電壓旋鈕，使輸出電壓合適(注意每次打開樣品室時，一定要關(guān)掉HVC100洲高壓穩(wěn)壓電源，否則光電倍增管容易燒壞)。(9)將SBP50沖色儀電源開關(guān)打開，將聽到光柵轉(zhuǎn)動的喀嚓聲，待聲音停止后再打開數(shù)據(jù)采集器的開關(guān)。(10)打開SCS

12、光譜儀控制系統(tǒng)，進入數(shù)據(jù)采集界面，在左上角選擇參數(shù)設(shè)置，進入?yún)?shù)設(shè)置界面(10)數(shù)據(jù)采集器有兩個通道(A,B),觀察探測器與哪個通道連接，然后在參數(shù)設(shè)置中選擇相應的通道，由于我們用的是光電倍增管探測器探測信號，所以我們選擇模式為電流輸入，再選擇合適的增益數(shù)。(11)參數(shù)設(shè)置完之后按確定按紐，如果采集系統(tǒng)狀態(tài)出現(xiàn)“連接成功”紅色字樣再進入數(shù)據(jù)采樣界面，選擇采樣光柵數(shù)，對起始波長、終止波長以及掃描間隔設(shè)數(shù)，然后進行采樣，在采樣界面觀察熒光發(fā)射譜線。六、實驗結(jié)果光電倍增管探測器的響應波長范圍：185-900nm,型號:PMTH-SL-CR131SBP300入射縫:1.460mm出射縫:1.156mmSBP500入射縫:1.460mm出射縫:1.736mm高壓電壓:80V,增益參數(shù)