實(shí)驗(yàn)報(bào)告Ⅲ-使用光學(xué)多道測(cè)量光譜

使用光學(xué)多道測(cè)量光譜物理082李春宇08180240摘要:利用光學(xué)多道分析系統(tǒng)，在已知光譜的情況下，分析可見光區(qū)的Hg的特征譜線，采用Hg的404nm和579nm進(jìn)行線性定標(biāo)，然后得到道數(shù)與波長的轉(zhuǎn)換關(guān)系。然后利用所得到的道數(shù)與波長的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過納光的光譜來測(cè)量納光的波長。在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)了解光柵光譜儀的組成及工作原理，掌握光柵光譜儀分析光譜的方法。關(guān)鍵詞：光學(xué)多道光譜道數(shù)特征譜線引言：光學(xué)多道光譜儀是采用電子技術(shù)和光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的方法研制成功的,較傳統(tǒng)的光譜儀在技術(shù)上有很大的改進(jìn)且應(yīng)用方便。一般的光譜儀都是用棱鏡或光柵等其它光學(xué)元件組成,在光譜的焦平面上開一道狹逢讓某一波長的光通過并用能量計(jì)測(cè)量其能量,每次只能測(cè)量單個(gè)波長的光,應(yīng)用很不方便且準(zhǔn)確度不高。光學(xué)多道光譜儀較一般的單色儀優(yōu)越得多,每次能測(cè)量很多非連續(xù)或連續(xù)波段的光譜且能準(zhǔn)確地讀出各光譜的波長值和相對(duì)強(qiáng)度值;測(cè)量的光譜帶寬可以從真空紫外到遠(yuǎn)紅外。CCD具有尺寸小、重量輕、功耗小、線性好、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、壽命長、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等一系列優(yōu)點(diǎn),使得它的應(yīng)用越來越廣泛。由CCD、光柵光譜儀和微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的測(cè)量系統(tǒng)具有對(duì)光譜信息快速采樣、存儲(chǔ)、傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能,從而使光譜的測(cè)量數(shù)字化,在光譜測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解電耦合器件（CCD）的原理并掌握OMA系統(tǒng)的工作原理與使用注意事項(xiàng)。2用低壓汞燈譜線作為一只波長進(jìn)行波長測(cè)量定標(biāo)，觀測(cè)并記錄鈉燈光譜。二、實(shí)驗(yàn)原理光學(xué)多通道分析儀原理為平行光束入射到平面光柵G（光柵平面的方位可由精密機(jī)械調(diào)節(jié)）時(shí)，將發(fā)生衍射，衍射時(shí)有光柵方程：式中d是光柵常數(shù)，λ是入射光波長，k是衍射級(jí)次，θ為衍射角。由光柵方程可知，當(dāng)光柵常數(shù)d一定時(shí)，不同波長的同一級(jí)主最大，除零級(jí)外均不重合，并且按波長的大小，自零級(jí)開始向左右兩側(cè)，由短波向長波散開。每一波長的主最大，在光柵的衍射圖樣中都是很細(xì)、很銳的亮線。由dsinθ=kλ可知，級(jí)次間距對(duì)應(yīng)，當(dāng)角度θ較小的時(shí)，角度間隔?θ最小，當(dāng)角度θ增加時(shí)，角度間隔?θ增加。所以光譜排列并非按角度θ線性分布。當(dāng)角度θ較小時(shí)可以簡化為線性，即可采用線性定標(biāo)，更進(jìn)一步可以從級(jí)數(shù)展開的角度采用2次、3次、或4次定標(biāo)，在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用線性定標(biāo)。定標(biāo)：是指在相同的衍射級(jí)次（一般取第1級(jí)次）下，采集已知譜線，然后對(duì)已知譜線定標(biāo)，隨即將橫坐標(biāo)由CCD的通道轉(zhuǎn)化為波長；在已定標(biāo)的波長坐標(biāo)下，采集未知的譜線，可直接通過讀取譜線數(shù)據(jù)、讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)或?qū)し宓姆绞将@取未知譜線的波長。定標(biāo)和采集未知譜線必須有相同的基礎(chǔ)，那就是起始波長（或中心波長）。在本實(shí)驗(yàn)中的起始波長或中心波長是一個(gè)參考數(shù)據(jù)，是通過轉(zhuǎn)動(dòng)光柵到某一個(gè)位置來實(shí)現(xiàn)的，但由于是機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)性比較差，因此需要定標(biāo)。定標(biāo)也是有誤差的。定標(biāo)使用譜線位置的遠(yuǎn)近，以及采用的是幾次定標(biāo)，都會(huì)影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。WGD-6型光學(xué)多通道分析器由光柵單色儀、CCD接收單元、掃描系統(tǒng)、電子放大器、A/D采集單元及計(jì)算機(jī)組成（結(jié)構(gòu)見下圖）。它集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，可用于分析300nm－900nm范圍內(nèi)的光譜。WGD-6型光學(xué)多通道分析器原理圖CCD傳感器是WGD-6型光學(xué)多通道分析器數(shù)據(jù)采集部分的核心，也是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，它的作用是將衍射光譜轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。CCD全稱電荷耦合器件(Charge—Coupled

Device)是一種以電荷量表示光量大小，用耦合方式傳輸電荷量的新型器件。它具有自掃描、光譜范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、功耗低、壽命長、可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。自1970年問世以來，發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛。CCD線列已用于光譜儀，將它置于光譜儀的光譜面，一次曝光就可獲得整個(gè)光譜，并且易于與計(jì)算機(jī)連接。面陣CCD已用于電視攝像機(jī)和衛(wèi)星遙感器。CCD的工作過程是：當(dāng)CCD受到光照后，各個(gè)CCD單元內(nèi)貯存的電荷量與它的曝光量成正比；若給它施加特定時(shí)序的脈沖，其內(nèi)部單元存貯的信號(hào)電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸、實(shí)現(xiàn)自掃描，進(jìn)而將由光照感生的電荷依次傳送出去。WGD-6型光學(xué)多通道分析器數(shù)據(jù)采集部分的另一個(gè)作用是將線陣CCD輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)，并存儲(chǔ)在外部RAM中。這樣數(shù)據(jù)就成為計(jì)算機(jī)能夠讀取的有效數(shù)據(jù)了。計(jì)算機(jī)處理部分的功能是控制整個(gè)系統(tǒng)工作，將數(shù)據(jù)由外部RAM中讀入、并保存在內(nèi)部RAM并作分析、處理，最后計(jì)算出結(jié)果并根據(jù)要求顯示和打印。因此對(duì)于計(jì)算機(jī)的使用是本次實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)之前必須把軟件的說明仔細(xì)閱讀，同時(shí)對(duì)于計(jì)算機(jī)與光學(xué)多通道分析器的連接線路也應(yīng)該仔細(xì)研究。最后考慮到數(shù)據(jù)量可能比較大，我們需要耐心等待實(shí)驗(yàn)結(jié)果并且盡量不干擾儀器獲得的數(shù)字電壓信號(hào)及原始數(shù)據(jù)。三、實(shí)驗(yàn)步驟：1根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖連好實(shí)驗(yàn)儀器，使光源聚集在多色儀的縫上。調(diào)多色儀的縫隙為0.1～0.5mm。狹縫越小越好，但是不能調(diào)過零對(duì)儀器損害很大。2打開計(jì)算機(jī)、CCD電源，打開軟件，將汞燈置于適當(dāng)位置，點(diǎn)擊軟件的背景記憶進(jìn)行背景過濾，打開汞燈，調(diào)節(jié)中心波長為400nm并進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)汞燈波譜的細(xì)銳程度，適當(dāng)調(diào)整光源和透鏡的位置及狹縫的大小使出現(xiàn)的譜線銳利至譜線峰值為單線。3得到較細(xì)銳的波譜后，用菜單欄上數(shù)據(jù)處理中的自動(dòng)定標(biāo)，對(duì)汞燈的波長定標(biāo)。對(duì)應(yīng)上術(shù)表格中的各種波的波長，分析自動(dòng)定標(biāo)所得到的幾條譜線之間的波長差。根據(jù)它和已知的標(biāo)準(zhǔn)波長值表相對(duì)照，認(rèn)出他們的標(biāo)準(zhǔn)波長。然后用手動(dòng)定標(biāo)的方式，重新對(duì)汞的譜線精確定標(biāo)。4接下來將汞燈光源換為鈉燈光源，采集同一波長范圍內(nèi)的待測(cè)鈉光源的光譜，然后對(duì)其進(jìn)行尋峰（采集鈉光光譜所用的寄存器必須是汞光譜定標(biāo)所在的寄存器）就可得出同一波長范圍鈉光的波長。四、數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后的圖像如下圖1、2圖1：定標(biāo)圖2：鈉光燈測(cè)量圖五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)在實(shí)驗(yàn)操作過程中，由于沒搞懂怎樣定標(biāo)和如何確定Hg的特征譜線的方法，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)操作過程中遇到了很大的問題，影響了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度。例如：對(duì)于光譜測(cè)量的歷史了解不夠，以至不太清楚當(dāng)前所用的光學(xué)多道測(cè)量儀的改進(jìn)與工作的實(shí)質(zhì)原理；對(duì)于汞的光譜分析不夠，導(dǎo)致定標(biāo)時(shí)的錯(cuò)誤；還有對(duì)于軟件使用的視乎導(dǎo)致