大學(xué)物理實驗-光柵單色儀課件

大綱單色儀的用途光譜學(xué)發(fā)展史單色儀的結(jié)構(gòu)和原理閃耀光柵的工作原理單色儀的入射和出射狹縫單色儀的用途從復(fù)色光源中提取單色光測量復(fù)色光源的光譜：研究目的—物質(zhì)的輻射特性，光與物質(zhì)的相互作用，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)（原子分子能級結(jié)構(gòu)），遙遠星體的溫度、質(zhì)量、運動速度和方向。應(yīng)用范圍—采礦、冶金、石油、燃化、機器制造、紡織、農(nóng)業(yè)、食品、生物、醫(yī)學(xué)、天體與空間物理（衛(wèi)星觀測）等等。光譜學(xué)發(fā)展史1、形成階段：1666年牛頓在研究三棱鏡時發(fā)現(xiàn)將太陽光通過三棱鏡太陽光分解為七色光。1814年夫瑯和費設(shè)計了包括狹縫、棱鏡和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)了太陽光譜中的吸收譜線（夫瑯和費譜線）。2、研究室和應(yīng)用階段：1860年克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俟庾V設(shè)計成較完善的現(xiàn)代光譜儀—光譜學(xué)誕生。由于棱鏡光譜是非線性的，人們開始研究光柵光譜儀。光柵與棱鏡相比棱鏡的工作光譜區(qū)受到材料的限制（光的波長小于120nm，大于50m時不能用)光柵的角色散率與波長無關(guān)，棱鏡的角色散率與波長有關(guān)。棱鏡的尺寸越大分辨率越高，但制造越困難，同樣分辨率的光柵重量輕，制造容易。光柵存在光譜重疊問題而棱鏡沒有。光柵存在鬼線（由于刻劃誤差造成）而棱鏡沒有。優(yōu)點缺點單色儀的結(jié)構(gòu)和原理S1：入射狹縫S2/S3：出射狹縫M1：反射鏡G：閃耀光柵M2：準(zhǔn)光鏡M3：物鏡PMT：光電倍增管三部分—光源和照明系統(tǒng)、分光系統(tǒng)和接收系統(tǒng)PMT單色儀的照明系統(tǒng)光源：火焰（燃燒氣體：乙炔、甲烷、氫氣）

電火花、電?。娀鸹òl(fā)生器）、激光、高低壓氣體燈（鈉燈、汞燈等）、星體、太陽單色儀的接收系統(tǒng)—光電倍增管光電倍增管的工作原理和使用注意事項利用光電子發(fā)射效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)制成的光電器件。光電倍增管是電流放大元件，具有很高的電流增益，因而最適合于微弱信號的檢測。優(yōu)點是靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快和噪音低。缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作電壓高、體積大。使用光電倍增管應(yīng)當(dāng)了解它的特性，如它的頻率特性、時間特性、暗電流和噪聲特性，還有穩(wěn)定性及對環(huán)境的要求等。注意事項：（1）負高壓350伏（光電倍增管加的電壓為負高壓），先開電源再開高壓（關(guān)時一定要相反）。（2）一般在半小時后陽極電流達到穩(wěn)定（暗電流）。（3）輸入光信號不可過強，光陰極面不可直接暴露在光照下（特別是在加了電壓的情況下，否則將燒毀光電倍增管）。（4）為了盡可能降低噪聲在不使用光電倍增管的時候要擋住入射光。單色儀的分光系統(tǒng)—矩形光柵

入射光垂直矩形光柵時衍射光強的分布公式：

a為光柵透光部分的寬度，N為光柵的總周期數(shù)d為光柵的周期，為衍射角單縫衍射因子干涉因子單色光的光柵光強分布的曲線透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.02mm光柵的總條數(shù):N=4透光縫寬:a=0.01mm光柵周期:d=0.03mm光柵的總條數(shù):N=100光柵方程式d為光柵周期，為入射角，為衍射角，m為衍射級次，為光的波長。描述各個干涉因子主極大的位置光柵的色散原理分辨本領(lǐng)譜線的半角寬度光柵的角色散本領(lǐng)光柵的光譜分辨本領(lǐng)理論分辨本領(lǐng)計算實例：m=1,N=64mm1200/mm=76800閃耀光柵的原理-nNbn為刻槽面法線方向N為光柵面法線方向為光線的入射角為光線的衍射角

b

光柵的閃耀角-b

角度的符號規(guī)定（順時針為正）入射角與閃耀波長的關(guān)系幾何光學(xué)的方向能量最大：m=1一級閃耀波長為5o，10o,30o587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm光強曲線單色儀狹縫寬度的討論1、設(shè)照明狹縫的光是完全非相干的（即每一點為獨立的點光源）。2、設(shè)狹縫為無限細，由衍射理論可知譜線的半寬度為：3、當(dāng)狹縫a逐漸變寬時的變化如下圖所示：

a/anw0狹縫的最佳寬度狹縫寬度與分辨率、譜線強度的關(guān)系由上圖可見縫寬過大時實際分辨率下降，縫寬過小時出射狹縫上得到光強太小，取a=an最好。a/anRI1單色儀實際分辨率的測量波峰波的半高寬度分辨率濾色片濾色片是一種濾光器件，投射到濾色片上的光波有的被吸收，有的透過，有的被反射。濾色片對某一波長的光的相對透射率定義為：

。濾色片的透射率曲線，即

曲線，是濾色片對某一波長的相對透射率與波長對應(yīng)的曲線。實驗內(nèi)容測量綠、紅、藍、黃、品和青色濾光片的透過率曲線。確定綠色濾光片的峰值、峰值波長及半高寬。確定紅、藍、黃、品和青色濾光片的截止波長（通帶第一個峰值的40%強度處所對應(yīng)波長）。根據(jù)藍、黃、品和青色濾光片的光譜特性，選用兩種顏色濾波片的組合分別設(shè)計512nm和536nm窄帶濾波片（峰值盡量窄和高），并測量透過率曲線。數(shù)據(jù)處理根據(jù)