光學(xué)多道測量光譜

使用光學(xué)多道測量光譜實驗預(yù)習(xí)報告摘要: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量納光的波長。在此基礎(chǔ)上，通過實驗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測量其能量,每次只能測量單個波長的光,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強(qiáng)度值;測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、動態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、壽命長、實時傳輸和自掃描等一系列優(yōu)點,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)組成的測量系統(tǒng)具有對光譜信息快速采樣、存儲、傳輸和數(shù)據(jù)處理等功能,從而使光譜的測量數(shù)字化,在光譜測量領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣泛。正文光譜分析是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要方法，它廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、醫(yī)藥、生物、地質(zhì)、冶金和考古等部門。常見的光譜有吸收光譜、發(fā)射光譜和散射光譜。涉及的波段從x射線、紫外光、可見光、紅外光到微波和射頻波段。本實驗通過測量發(fā)光二極管發(fā)射光譜，使大家了解發(fā)光二極管的主要光學(xué)特性和光譜測量的基本方法。光學(xué)多通道分析器是集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計算機(jī)技術(shù)于一體的精密儀器，能夠更為精確的進(jìn)行光譜測量。它的結(jié)構(gòu)和工作原理較為復(fù)雜，但由于使用了計算機(jī)技術(shù)而使得操作過程非常方便。本實驗通過對汞燈定標(biāo)和測量發(fā)光二極管的光譜從而達(dá)到了解光學(xué)多通道分析器的工作原理，理解光譜測量與分析的重要性，并掌握操作方法的目的。一、歷史背景光譜儀的發(fā)展光譜起源于17世紀(jì)，1666年物理學(xué)家牛頓第一次進(jìn)行了光的色散實驗。他在暗室中引入一束太陽光，讓它通過棱鏡，在棱鏡后面的自屏上，看到了紅、橙、黃、綠、蘭、靛、紫七種顏色的光分散在不同位置上——即形成一道彩虹。這種現(xiàn)象叫作光譜。這個實驗就是光譜的起源，自牛頓以后，一直沒有引起人們的注意。到1802年英國化學(xué)家沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽光譜不是一道完美無缺的彩虹，而是被一些黑線所割裂。1814年德國光學(xué)儀器專家夫瑯和費研究太陽光譜中的黑斑的相對位置時，把那些主要黑線繪出光譜圖。1826年泰爾博特研究鈉鹽、鉀鹽在酒精燈上光譜時指出，發(fā)射光譜是化學(xué)分析的基礎(chǔ)、鉀鹽的紅色光譜和鈉鹽的黃色光譜都是這個元素的特性。到1859年克?；舴蚝捅旧鸀榱搜芯拷饘俚墓庾V自己設(shè)計和制造了一種完善的分光裝置，這個裝置就是世界上第一臺實用的光譜儀器，研究火焰、電火花中各種金屬的譜線，從而建立了光譜分析的初步基礎(chǔ)。從1860年到1907年之間、用火焰和電火花放電發(fā)現(xiàn)堿金屬元素銫Cs、1861年又發(fā)現(xiàn)銣Rb和鉈Tl，1868年又發(fā)現(xiàn)銦In和氦He1869年又發(fā)現(xiàn)氮N。1875~1907年又相繼發(fā)現(xiàn)鎵Ga,鉀K,銩Tm,錯Pr,釙Pe,釤Sm,釔y，镥Lu等。1882年,羅蘭發(fā)明了凹面光柵,即是把劃痕直接刻在凹球面上。凹面光柵實際上是光學(xué)儀器成象系統(tǒng)元件的合為一體的高效元件,它解決了當(dāng)時棱鏡光譜儀所遇到的不可克服的困難。凹面光柵的問世不僅簡化了光譜儀器的結(jié)構(gòu),而且還提高了它的性能。波耳的理論在光譜分析中起了作用,其對光譜的激發(fā)過程、光譜線強(qiáng)度等提出比較滿意的解釋。從測定光譜線的絕對強(qiáng)度轉(zhuǎn)到測量譜線的相對強(qiáng)度的應(yīng)用,使光譜分析方法從定性分析發(fā)展到定量分析創(chuàng)造基礎(chǔ)。從而使光譜分析方法逐漸走出實驗室,在工業(yè)部門中應(yīng)用了。1928年以后,由于光譜分析成了工業(yè)的分析方法,光譜儀器得到迅速的發(fā)展,一方面改善激發(fā)光源的穩(wěn)定性,另一方面提高光譜儀器本身性能。最早的光源是火焰激發(fā)光譜；后來又發(fā)展應(yīng)用簡單的電弧和電火花為激發(fā)光源,在上世紀(jì)的三十、四十年代改進(jìn)采用控制的電弧和電火花為激發(fā)光源,提高了光譜分析的穩(wěn)定性。工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)晨,光譜學(xué)的進(jìn)步,促使光學(xué)儀器進(jìn)一步得到改善,而后者又反作用于前者,促進(jìn)了光譜學(xué)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。六十年代光電直讀光譜儀,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展開始迅速發(fā)展,1964年ARL公司展示一套數(shù)字計算和控制讀出系統(tǒng)。由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電子技術(shù)的發(fā)展,電子計算機(jī)的小型化及微處理機(jī)的出現(xiàn)和普及,成本降低等原因、于上世紀(jì)的七十年代光譜儀器幾乎100％地采用計算機(jī)控制,這不僅提高了分析精度和速度,而且對分析結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和分析過程實現(xiàn)自動化控制。解放后,我國的光譜儀器工業(yè)從無到有,由小到大,得到飛躍的發(fā)展,且具有一定的規(guī)模,與世界先進(jìn)技術(shù)競爭中求生存,社會商品競賽中得到發(fā)展。1958年開始試制光譜儀,生產(chǎn)了我國第一臺中型石英攝譜儀,大型攝譜儀,單色儀等。中科院光機(jī)所開始研究刻制光柵,59年上海光學(xué)儀器廠,63年北京光學(xué)儀器廠開始研究刻制光柵,63年研制光刻成功。1966—1968年北京光學(xué)儀器廠和上海光學(xué)儀器廠先后研制成功中型平面光柵攝譜儀和一米平面光柵攝譜儀及光電直讀頭。1971—1972年由北京第二光學(xué)儀器廠研究成功國內(nèi)第一臺WZG—200平面光柵光量計,結(jié)束了我國不能生產(chǎn)光電直讀光譜儀的歷史。八十年代以來,我國鑄造行業(yè)開始引進(jìn)光電直讀光譜儀作為熔煉過程中化學(xué)成份控制的分析手段,并逐步取代了我國傳統(tǒng)的濕法化學(xué)分析法,至今已發(fā)展到中小企業(yè)也逐步采用光譜法配合作爐前分析。國外引進(jìn)的鑄造生產(chǎn)線已配備了專用的光譜分析設(shè)備,作為成套設(shè)備進(jìn)入中國,這是鑄造行業(yè)對質(zhì)量控制要求越來越嚴(yán)的發(fā)展的必然結(jié)果,也是光電光譜分析本身的優(yōu)點決定了這一技術(shù)自1945年問世以來,歷時五十六年而經(jīng)久不衰之緣故。原子吸收光譜的發(fā)展歷史（1）第一階段原子吸收現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與科學(xué)解釋早在1802年，伍朗斯頓（W.H.Wollaston）在研究太陽連續(xù)光譜時，就發(fā)現(xiàn)了太陽連續(xù)光譜中出現(xiàn)的暗線。1817年，弗勞霍費（J.Fraunhofer）在研究太陽連續(xù)光譜時，再次發(fā)現(xiàn)了這些暗線，由于當(dāng)時尚不了解產(chǎn)生這些暗線的原因，于是就將這些暗線稱為弗勞霍費線。1859年，克希荷夫（G.Kirchhoff）與本生（R.Bunson）在研究堿金屬和堿土金屬的火焰光譜時，發(fā)現(xiàn)鈉蒸氣發(fā)出的光通過溫度較低的鈉蒸氣時，會引起鈉光的吸收，并且根據(jù)鈉發(fā)射線與暗線在光譜中位置相同這一事實，斷定太陽連續(xù)光譜中的暗線，正是太陽外圍大氣圈中的鈉原子對太陽光譜中的鈉輻射吸收的結(jié)果。（2） 第二階段原子吸收光譜儀器的產(chǎn)生原子吸收光譜作為一種實用的分析方法是從1955年開始的。這一年澳大利亞的瓦爾西（A.Walsh）發(fā)表了他的著名論文'原子吸收光譜在化學(xué)分析中的應(yīng)用'奠定了原子吸收光譜法的基礎(chǔ)。50年代末和60年代初，Hilger,VarianTechtron及Perkin-Elmer公司先后推出了原子吸收光譜商品儀器，發(fā)展了瓦爾西的設(shè)計思想。到了60年代中期，原子吸收光譜開始進(jìn)入迅速發(fā)展的時期。（3） 第三階段電熱原子吸收光譜儀器的產(chǎn)生1959年,蘇聯(lián)里沃夫發(fā)表了電熱原子化技術(shù)的第一篇論文。電熱原子吸收光譜法的絕對靈敏度可達(dá)到10-12-10-14g,使原子吸收光譜法向前發(fā)展了一步。近年來，塞曼效應(yīng)和自吸效應(yīng)扣除背景技術(shù)的發(fā)展,使在很高的的背景下亦可順利地實現(xiàn)原子吸收測定?；w改進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用、平臺及探針技術(shù)的應(yīng)用以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的穩(wěn)定溫度平臺石墨爐技術(shù)（STPF）的應(yīng)用，可以對許多復(fù)雜組成的試樣有效地實現(xiàn)原子吸收測定。（4） 第四階段原子吸收分析儀器的發(fā)展隨著原子吸收技術(shù)的發(fā)展，推動了原子吸收儀器的不斷更新和發(fā)展，而其它科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，為原子吸收儀器的不斷更新和發(fā)展提供了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，使用連續(xù)光源和中階梯光柵，結(jié)合使用光導(dǎo)攝象管、二極管陣列多元素分析檢測器，設(shè)計出了微機(jī)控制的原子吸收分光光度計，為解決多元素同時測定開辟了新的前景。微機(jī)控制的原子吸收光譜系統(tǒng)簡化了儀器結(jié)構(gòu)，提高了儀器的自動化程度，改善了測定準(zhǔn)確度，使原子吸收光譜法的面貌發(fā)生了重大的變化。聯(lián)用技術(shù)（色譜-原子吸收聯(lián)用、流動注射-原子吸收聯(lián)用）日益受到人們的重視。色譜-原子吸收聯(lián)用，不僅在解決元素的化學(xué)形態(tài)分析方面，而且在測定有機(jī)化合物的復(fù)雜混合物方面，都有著重要的用途，是一個很有前途的發(fā)展方向。原子吸收光譜法的優(yōu)點與不足（1） 檢出限低，靈敏度高?；鹧嬖游辗ǖ臋z出限可達(dá)到ppb級，石墨爐原子吸收法的檢出限可達(dá)到10-10-10-14g。（2） 分析精度好?；鹧嬖游辗y定中等和高含量元素的相對標(biāo)準(zhǔn)差可＜1%，其準(zhǔn)確度已接近于經(jīng)典化學(xué)方法。石墨爐原子吸收法的分析精度一般約為3-5%。（3） 分析速度快。原子吸收光譜儀在35分鐘內(nèi)，能連續(xù)測定50個試樣中的6種元素。（4） 應(yīng)用范圍廣?？蓽y定的元素達(dá)70多個，不僅可以測定金屬元素,也可以用間接原子吸收法測定非金屬元素和有機(jī)化合物。（5） 儀器比較簡單，操作方便。（6） 原子吸收光譜法的不足之處是多元素同時測定尚有困難,有相當(dāng)一些元素的測定靈敏度還不能令人滿意。發(fā)展前景傳統(tǒng)的光譜測量技術(shù)由于受到光譜分辨率、靈敏度、時間、分析速度的限制，已經(jīng)不適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需要。20世紀(jì)60年代激光科學(xué)技術(shù)特別是可調(diào)諧激光技術(shù)的發(fā)展，新型光譜探測元件及探測技術(shù)的發(fā)展，光電二極管自校準(zhǔn)技術(shù)和微弱光譜信息的接收技術(shù)和處理技術(shù)以及微處理機(jī)的應(yīng)用，使光譜測量技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了一個革命性的變化，進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期。傳統(tǒng)的攝譜儀、光電分光光度計等光譜儀已逐漸被光學(xué)多道分析儀OMA（OpticalMulti-channelAnalyzer）所取代。隨著原子吸收技術(shù)的發(fā)展，推動了原子吸收儀器的不斷更新和發(fā)展，而其它科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，為原子吸收儀器的不斷更新和發(fā)展提供了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。近年來，使用連續(xù)光源和中階梯光柵，結(jié)合使用光導(dǎo)攝象管、二極管陣列多元素分析檢測器，設(shè)計出了微機(jī)控制的原子吸收分光光度計，為解決多元素同時測定開辟了新的前景。微機(jī)控制的原子吸收光譜系統(tǒng)簡化了儀器結(jié)構(gòu)，提高了儀器的自動化程度，改善了測定準(zhǔn)確度，使原子吸收光譜法的面貌發(fā)生了重大的變化。聯(lián)用技術(shù)（色譜-原子吸收聯(lián)用、流動注射-原子吸收聯(lián)用）日益受到人們的重視。色譜-原子吸收聯(lián)用，不僅在解決元素的化學(xué)形態(tài)分析方面，而且在測定有機(jī)化合物的復(fù)雜混合物方面，都有著重要的用途，是一個很有前途的發(fā)展方向。二、平面光柵的分光原理光學(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，將發(fā)生衍射，衍射時有光柵方程：dsin0=k九,k=0,±1,±2式中d是光柵常數(shù)，X是入射光波長，k是衍射級次，Q為衍射角。由光柵方程可知，當(dāng)光柵常數(shù)d一定時，不同波長的同一級主最大，除零級外均不重合，并且按波長的大小，自零級開始向左右兩側(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dsin0=kX可知，級次間距對應(yīng)dcos0A0二九,A0二九/（dcos0），當(dāng)角度0較小的時，角度間隔最小，當(dāng)角度0增加時，角度間隔增加。所以光譜排列并非按角度0線性分布。當(dāng)角度0較小時可以簡化為線性，即可采用線性定標(biāo)，更進(jìn)一步可以從級數(shù)展開的角度采用2次、3次、或4次定標(biāo)，在本實驗中，我們采用線性定標(biāo)。定標(biāo)：是指在相同的衍射級次（一般取第1級次）下，采集已知譜線，然后對已知譜線定標(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）。在本實驗中的起始波長或中心波長是一個參考數(shù)據(jù)，是通過轉(zhuǎn)動光柵到某一個位置來實現(xiàn)的，但由于是機(jī)械轉(zhuǎn)動，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)、計算機(jī)技術(shù)

于一體，可用于分析300nm－于一體，可用于分析300nm－900nm范圍內(nèi)的光譜。微機(jī)數(shù)據(jù)

采集處理

系統(tǒng)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。CCD全稱電荷耦合器件(Charge—CoupledDevice)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。自1970年