光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)報(bào)告09級(jí)應(yīng)用物理學(xué)03班40908020323肖金龍2012.03.28光柵光譜儀系統(tǒng)(Gratingspectrum-metersystem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(wú)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(zhǎng)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O.OOlnm),自動(dòng)波長(zhǎng)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使用電腦自動(dòng)掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的首選。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆瞻l(fā)射光譜測(cè)試系統(tǒng)，光學(xué)元件的透射率光譜,反射率光譜測(cè)試

2、系統(tǒng)以及熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)的搭建學(xué)習(xí)利用電腦自動(dòng)掃描多光柵單色儀測(cè)試各種光源特性譜線，學(xué)會(huì)分析各種光學(xué)元件的反射、透射譜線。學(xué)習(xí)利用組合多光柵單色儀測(cè)試物質(zhì)熒光光譜，分析熒光物質(zhì)成分。二、光柵光譜儀測(cè)試系統(tǒng)組件名稱(chēng)LHT75溴鎢燈光源室+LPT75溴鎢燈穩(wěn)流電源(brominetungsten)2LHM254波長(zhǎng)校準(zhǔn)汞燈光源(TheHglamphouseforcalibratinggrating,thecharacterwavelengthis254nm)NFC-532-15陷波濾波裝置The532nmwavelengthisboundwhenlightfromthelamphousecross

3、ingthefilter.SPB3OO300mm光柵光譜儀(thefocusis300nm)SPB500500mm光柵光譜儀6SD六擋濾光片輪thelightfilerforsixsteps7SAC三口樣品室samplehouseDCS102數(shù)據(jù)采集器dataacquisitionimplementPMTH-S1-CR131光電倍增管photomultipliertubeHVC1005高壓穩(wěn)壓電源regulatedpowersupplyinhighvoltage三、光柵基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)驗(yàn)原理圖當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入單色儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡匯聚成平行光，再通過(guò)衍射光柵色散為分開(kāi)的波長(zhǎng)(顏色)。

4、利用每個(gè)波長(zhǎng)離開(kāi)光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過(guò)電腦控制可精確地改變出射波長(zhǎng)。1.光柵基礎(chǔ)光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。光柵分為刻劃光柵、復(fù)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(jī)械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)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。刻劃光柵具有衍射效率高的特點(diǎn)，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：閃耀波長(zhǎng):閃耀波長(zhǎng)為光柵最大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)需要波長(zhǎng)附近。如實(shí)驗(yàn)為可見(jiàn)光范圍，

5、可選擇閃耀波長(zhǎng)為500nm。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，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇。光柵效率:光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號(hào)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1入射皺前衍能前圖1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(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長(zhǎng)相當(dāng)，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(duì)某波長(zhǎng)，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(jí)次。如圖1所示，光柵刻槽垂直

6、輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為弘衍射角為”，衍射級(jí)次為m,d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：d(sina+sin卩)=m九定義屮為入射光線與衍射光線夾角的一半，即申=(a-B)/2；0為相對(duì)于零級(jí)光譜位置的光柵角，即掃(a+”)/2,得到更方便的光柵方程：2dcos申sin0=m九(2)從該光柵方程可看出：對(duì)一給定方向，可以有幾個(gè)波長(zhǎng)與級(jí)次m相對(duì)應(yīng)久滿(mǎn)足光柵方程。比如600nm的一級(jí)輻射和300nm的二級(jí)輻射、200nm的三級(jí)輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級(jí)光譜濾光片輪的意義。衍射級(jí)次m可正可負(fù)。對(duì)相同級(jí)次的多波長(zhǎng)在不同的”分布開(kāi)。含多波長(zhǎng)的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改

7、變a,則在a+P不變的方向得到不同的波長(zhǎng)。3.不同測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖透射/反射光譜光度系統(tǒng)熒光光譜系統(tǒng)HVC1005高壓穩(wěn)壓電源氙燈穩(wěn)壓電源四、以溴鎢燈為光源測(cè)試材料的反射、透射光譜實(shí)驗(yàn)步驟1溴鎢燈光譜范圍溴鎢燈光譜響應(yīng)范圍：2502500nmPMTH-S1-CR131光電倍增管探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)范圍：185900nm通過(guò)光電倍增管探測(cè)器探測(cè)熒光譜線將數(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(SBP300與SBP300)的輸出口與電腦主機(jī)的數(shù)據(jù)線口連接將HVC1005型高壓穩(wěn)壓電源的輸出電壓口與光電倍增管的高壓線口連接將氙燈電源輸出端(氙燈電

8、源)與氙燈光源室連接開(kāi)啟溴鎢燈電源，電源指示燈亮將電流調(diào)節(jié)旋紐順時(shí)針調(diào)到最大,再按觸發(fā)按紐,溴鎢燈光源室燈變亮后松開(kāi)觸發(fā)按紐，然后調(diào)節(jié)電流旋紐到工作電流范圍內(nèi)(溴燈工作電流:7.59A)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制SBP300單色儀，選擇可見(jiàn)光范圍內(nèi)的一入射波長(zhǎng)，打開(kāi)樣品室，調(diào)節(jié)載物臺(tái)，使通過(guò)載物臺(tái)上直角棱鏡上的反射光能完全進(jìn)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(zhǎng)。打開(kāi)HVC1005型高壓穩(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(kāi)樣品室時(shí)，一定要關(guān)掉HVC1005型高壓穩(wěn)壓電源，否則光電倍增管容易燒壞)。將SBP500單色儀電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)，將聽(tīng)到光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的喀嚓聲，待聲音停止后再打開(kāi)數(shù)

9、據(jù)采集器的開(kāi)關(guān)。打開(kāi)SCS光譜儀控制系統(tǒng)，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面，在左上角選擇參數(shù)設(shè)置，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面數(shù)據(jù)采集器有兩個(gè)通道(A,B)，觀察探測(cè)器與哪個(gè)通道連接，然后在參數(shù)設(shè)置中選擇相應(yīng)的通道，由于我們用的是光電倍增管探測(cè)器探測(cè)信號(hào)，所以我們選擇模式為電流輸入，再選擇合適的增益數(shù)。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(jìn)入數(shù)據(jù)采樣界面，選擇采樣光柵數(shù)，對(duì)起始波長(zhǎng)、終止波長(zhǎng)以及掃描間隔設(shè)數(shù)，然后進(jìn)行采樣，在采樣界面觀察熒光發(fā)射譜線。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果光電倍增管的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍:185-900nm,型號(hào):PMTH-SL-CR131SBP300電流(I):5.77A電壓(V):90V起始波長(zhǎng)：250nm終止波長(zhǎng)：900nm溴鎢燈電流:7.59A激發(fā)波長(zhǎng):350nm熒光譜線分析圖如下：1000090000800007000III一一K一啞g門(mén)06