微弱光探測及光譜分析實驗預(yù)習(xí)報告

1、微弱光探測及光譜分析實驗學(xué)號：班級：光電工程142姓名：王和遠(yuǎn)1平面光柵的分光原理光學(xué)多通道分析器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：k*lambda=d*sin(theta-theta0)（3.4-1）式中d是光柵常數(shù)，是入射光波長，k是衍射級次，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dsin=k可知，級次間距對應(yīng)，當(dāng)角度較小的時，角度間隔最小，當(dāng)角度增加時，角度間

2、隔增加。所以光譜排列并非按角度線性分布。當(dāng)角度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)。2譜線定標(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

3、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。由于CCD的敏感波長為300nm-900nm，由公式dsin=k可知，得取值為10.432.7之間。我們在測量未知波長時是通過已知的兩個或多個（本實驗儀器最多允許選擇5個已知波長做四次定標(biāo)）波長定標(biāo)。定標(biāo)涉及到以下的問題：（1）參考波長是否可靠參考波長就是光譜采集系統(tǒng)顯示的中心波長或起始波長，該參數(shù)既然是參考波長，一般就有誤差，不準(zhǔn)確，差10nm左右都不會對測量結(jié)果帶來影響。如果參考波長相差太遠(yuǎn)可以考慮修正波長。（2） 參考波長的修正參考波長修正的依據(jù)是特征譜線或可見光譜線。定標(biāo)一般比較關(guān)注特征譜線。人眼的可見光譜線范圍大致在400nm-

4、700nm之間，如果儀器使用起始波長作為參考，可以將起始波長設(shè)置為400nm；如果儀器使用中間波長作為參考，可以將中間波長設(shè)置為450nm。然后采集譜線，再通過CCD觀察窗觀察譜線的顏色，看是否是我們所需要的譜線。并注意一個屏幕的譜線差范圍在150nm左右，如果兩個譜線的距離明顯大于波長之差，則說明觀察到的應(yīng)該是二級或更高級次的衍射（由于本儀器感光的限制300nm900nm，我們最多能夠觀察到2級衍射），因此實際波長大于參考波長，修正波長為負(fù)；當(dāng)觀察不到可見光，則說明實際波長小于參考波長，修正波長為正。對波長修正的效果是：如果修正波長為Xnm，則我們所觀察到的譜線將向右移動Xnm，參考波長的標(biāo)

5、稱值不變。如果修正波長為Xnm，則我們所觀察到的譜線將向左移動Xnm，參考波長的標(biāo)稱值不變。（3）定標(biāo)譜線的采集為了避免其他譜線的干擾，可以考慮采集背景光線，計算機(jī)會將實際采集的譜線與背景相減，獲取真實的譜線。另外可以通過開關(guān)電源，觀察譜線的變化來觀察光源的譜線。譜線采集后，根據(jù)已知的譜線進(jìn)行定標(biāo)，定標(biāo)后將譜線保存，供測量未知譜線使用。為了減少光柵轉(zhuǎn)動帶來的空回誤差，可以考慮定標(biāo)完成后，保持光柵的位置不變，采集未知的光譜，然后讀取光譜數(shù)據(jù)。（4）定標(biāo)譜線形狀的銳化由于光譜是通過CCD采集的，CCD存在分辨能力和飽和問題。當(dāng)譜線太弱，可以考慮增加入射光的縫寬，來提高入射光強(qiáng)度，這也可能導(dǎo)致較強(qiáng)光譜的溢出，即譜線頂部變平。因此我們可以通過調(diào)節(jié)入射光孔的大小，使我們要觀察的譜線比較適中（主要是頂部比較尖銳）。入射光被多色儀色散后在其出射窗口形成12的譜帶。位于出射窗口處的多通道光電探測器將譜帶的強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蓮?qiáng)弱的分布，由信號處理系統(tǒng)掃描、讀出、經(jīng)A/D變換后存貯并顯示在計算機(jī)上。圖2是多色儀及光源部分的光路。光源S經(jīng)透鏡L成像于多色儀的入射狹縫S1，入射光經(jīng)平面反射鏡M1轉(zhuǎn)向90，經(jīng)球面鏡M2反射后成為平行光射向光柵G。衍射光經(jīng)球面鏡M3和M4成像于觀察屏P。由于各波長光的衍射角不同，在P處形成以某一波長0為中心的一條光譜帶，使用者可在P上直觀地觀察