光栅光谱仪的定标
光栅光谱仪由单色仪和探测器组成。单色仪(monochromator)是一种分光仪器,它通过色散元件的分光作用,可将复色光分解为波长范围极窄的单色光。依采用的色散元件的不同,单色仪可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类。单色仪运用的光谱范围很广,从紫外、可见、近红外一直到远红外,对于不同的光谱区域,一般需换用不同的棱镜或光栅。例如应用石英棱镜作为色散元件,则主要运用于紫外光谱区,并需用光电倍增管作为探测仪;若棱镜材料用NaCl(氯化钠)、LiF(氟化锂)、KBr(溴化钾)等,则可运用于广阔的红外光谱区,用真空温差电偶等作为光探测器。
实验目的与要求
- 掌握调节光路准直的基本方法和技巧。学会分步骤确定光学器件在光学系统中的位置(如在本实验中,先调节光源在光轴上,再调节透镜在光轴上)。
- 掌握光栅光谱仪仪的工作原理和正确使用方法。学会波长定标、确定缝零点的方法,学会测量光谱仪的响应曲线。
- 建立合适物理模型来解释所测得的光谱。
实验记录要求
1.画出实验测量装置草图,草图中应包含光源、单色仪、探测器以及透镜(部分测量会用到)。
2.具体写出每部分测量内容名称,以及用到的实验装置名称。以下举例说明:
1.光谱仪波长定标 以高压汞灯作为光源进行波长定标,光源和入射缝之间加入凸透镜用以会聚汞灯发出的光,使得入射到单色仪中的光通量最大。(请写清楚如何移动光源和透镜,并观察到什么现象来达到此条件)
探测器使用的是CR114型光电倍增管。光谱仪可测量波长范围为200-800nm。
(此处画出装置草图,标明各部分元器件名称)
思考:如果使用不同焦距,口径的凸透镜可能会对入射到单色仪中的光通量有影响?
波长定标扫描范围确定:
精确定标,需要扫描较大波长范围,可从400扫描到650(对应汞灯可见光范围),扫描间隔0.1nm。
实验装置
- 光栅单色仪
光谱仪的核心部件为单色仪。 其采用的Czerny–Turner结构如图1所示,
图1.光栅光谱仪结构和光路图
光源发出的光经透镜会聚后照射到入射缝S1上,而后经平面反射镜M1反射后,再经过凹面镜M2的反射变成平行光束照射到光栅G上,不同波长的光束经过光栅后按不同的衍射角散射,再经过凹面镜M3的会聚后通过出射缝出射,此时只有某一波长的光束能出射。光栅G通过传动杠和鼓轮相连,用软件可以控制鼓轮转动,光栅G也会随之转动,从而能使不同波长的光束出射。
WGD-3型光栅光谱仪(说明书见参考资料)
高压汞灯、溴钨灯、标准光源(卤素灯)、会聚透镜、光电倍增管、单色仪
* WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪采用Czemy-Turne(C-T)对称式光路架构,每毫米1200条光栅,其仪器参数如下:
- 波长范围: 200nm~800nm
- 波长重复性:≤0.2nm
- 相对孔径:D/F=1/7
- 波长精度:±0.4nm
- 焦 距:300mm
光谱仪采用的探测器为滨松公司生产的CR114型光电倍增管(photomultiplier tubes or PMT) 参数如下:
- 光谱响应范围 185~870nm
- 最大响应波长 400nm
- 光阴极(不透明) 双碱光阴极
- 阴极最小有效尺寸 8×24mm
- 倍增极系统结构 环形聚焦(9级)
- 管壳(窗)材料 透紫玻璃
- 极间电容(参考值) 阳极与最末倍增极间 4pf
- 阳极与所有其他电极间 6pf
- 阳极脉冲上升时间 2.2ns
- 电子渡越时间 22ns
更多光电倍增管的信息可参考http://www.bhphoton.com/product/cr114.html
高压汞灯的光谱(可见光区)(该表需要写到记录本上,以便测量时比较)
颜色 | 相对强度 | 波长 / nm |
---|---|---|
紫 | 强 | 404.66 |
紫 | 强 | 407.78 |
紫 | 弱 | 410.81 |
蓝 | 弱 | 433.92 |
蓝 | 弱 | 434.75 |
蓝 | 强 | 435.83 |
青 | 中 | 491.61 |
青 | 中 | 496.01 |
绿 | 弱 | 535.40 |
绿 | 弱 | 536.55 |
绿 | 强 | 546.08 |
黄绿 | 弱 | 567.58 |
黄 | 强 | 576.96 |
黄 | 强 | 579.07 |
黄 | 弱 | 585.93 |
黄 | 弱 | 588.89 |
橙 | 弱 | 607.26 |
橙 | 弱 | 612.33 |
橙 | 强 | 623.45 |
红 | 弱 | 671.64 |
红 | 中 | 690.75 |
红 | 弱 | 708.19 |
注:在505nm附近有2条较强的青色谱线。
实验内容
1.光路调整
- 用水平仪调整单色仪水平。(为什么需要调节水平?)
- 打开光谱仪电源,接着打开光谱仪软件,进行波长初始化调整(光谱仪波长自检,即光谱仪进行粗略波长定标,具体步骤为如弹出对话框请按“取消”进行波长初始化,不弹出对话框请等待初始化自动完成。波长初始化完成后出射波长为200nm)。(出射光波长为200nm,是否属于可见光范围?)
- 调节光源(高压汞灯)的位置。
将光源直接照射到入射缝上,调整光源使得从出射缝处能用肉眼观察到光源的像(光源像即灯丝像的形状为一竖条纹,可用“检索”功能改变出射光的波长即改变像的颜色,选择柔和点的颜色如黄色),轻微调节光源的位置使光源的像位于凹面镜中央(注意:一般凹面镜不会被全部照亮),此时光源在单色仪准直系统的光轴延长线上。(光源不在延长线上会有什么影响?)左右上下移动光源,像如何移动,请记录。
- 调节会聚透镜的位置。
光源调整完毕后再放入会聚透镜,调节光源和会聚透镜的位置使光源准确成像(什么才是光源的像?如何判断?)在入射缝上,像的宽度要略大于入射缝宽度。这时,从出射缝看进去,凹面镜应该被均匀照亮(入射缝此时要开的小些),如左右不均匀,可适当调节会聚透镜的左右位置,直至单色仪中聚光镜被均匀照亮为止。
2.波长定标
- 用高压汞灯作光源,按上述实验内容1调整好光路后,按单程扫描测量汞灯光谱(测得的光谱横轴为波长,纵轴为光的相对强度,软件上写的是“能量”实际上应为“相对光强”,扫描范围为400nm-720nm,扫描间隔为0.1nm,出入射缝鼓轮读数设置为0.300mm,调节合适负高压)记录得到的光谱的波长值和峰值。作图拟合得到波长定标函数。
3.确定入射缝和出射缝的实际零点
- 入射缝零点的确定。用高压汞灯作光源,选择合适波长和合适负高压,按“定点”进行测量。测量时先缓慢减小入射缝宽,直到信号强度值不发生变化,然后再缓慢增大入射缝宽,当信号强度值发生变化时记下鼓轮读数,该读数即为入射缝零点。重复测量5次取平均值,并计算不确定度。
- 出射缝零点的确定。方法同入射缝零点的确定。
4.光谱仪响应曲线
- 测量标准光源(3000K)的光谱,并与标准灯的理论光谱(3000K的黑体辐射曲线)作比较,计算并画出出光谱仪的响应曲线。
注意事项:
- 不能用肉眼直视高压汞灯,其中包含强烈的紫外线!
- 用高压汞灯作为光源时,出射光线波长小于400nm时(当前出射光波长软件上有显示),不要通过光谱仪上的观察缝用肉眼观察!
- 打开光谱仪软件前要先开光谱仪电源。
- 测量信号饱和值为1000,测量时需注意不要超出量程,可通过调节光电倍增管电压来调节。
- 鼓轮由上至下即顺时针旋转为读数逐渐变大(0mm-3mm)。(这和常见的千分尺的调节是反向的)
- 负高压的调节需要通过光谱仪电源上的旋钮进行调节,软件上负高压调节栏是无效的。
思考题
- 会聚透镜尺寸和焦距有何要求?
- 测量入射缝和出射缝的零点时应注意什么问题?
- 对单色仪进行定标时,入射缝宽和出射缝宽应如何选取?
- 出入射缝宽对测量信号有何影响?
参考资料
- 《大学物理实验》 复旦大学出版社 贾玉润等主编
- WGD-3型 组合式多功能光栅光谱仪 说明书 wgd-3型_组合式多功能光栅光谱仪_说明书_03_1_.05.09.doc
=。
讨论区
欢迎同学在此提问、讨论。 — 乐永康 2014/12/28 01:20
请问扫描后得到的光谱图像纵轴(相对光强)的单位是什么?在导出的文件里写的是数值(e),请问老师这是什么意思?
光谱图像纵轴(相对光强)为任意单位(arbitrary unit)。 数值(e)原指energy,但此处应该用相对光强描述更为恰当。— 岑剡 2018/10/14 10:14
=请问老师,波长定标函数是波长值与峰值的关系吗?如果是,通过得到的数据怎么拟合呢?它只有好几个峰值。