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1、实验题目：光栅单色仪的调整和使用实验目的：了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钙灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。实验原理：光栅单色仪的结构和原理如图1所示，光栅单色仪由三部分组成:1、光源和照明系统，2、分光系统，光源透镜3、接受系统。单色仪的光源有:火焰（燃烧气体：乙焕、甲烷、氢气1电火花、 电弧（电火花发生器激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等星体、太阳等。接收系统图1单色仪的组成栅单色仪的分光系统如图2所示光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射 狭缝S1上，S1位于离轴胞物镜Ml的焦平面上，光通过Ml变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到Ml ,经过M2会聚到出射狭缝
2、S2 ,由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短 波到长波依次出现。图2所示为李特洛式系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高，更换光栅方便。分光系统耀光栅，以磨光的金属板或镀上金属膜的中的光栅是闪. n % 入射光衍射光0eb图3闪耀光栅的工作原理玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成光栅，由于光栅的机械 加工要求很高，所以T殳使用的光栅是该光栅复制的光栅，它可以将单缝衍射因 子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。因为多缝干涉因子的高级 项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大即几何光学的方向 集中
3、了光的大部分能量，这个方向就是闪耀光栅的闪耀方向，使用闪耀光栅可以 大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比。当入射光与光栅面的法线N的方向的夹角为巾（见图3 ）时，光栅的闪耀角 为凯（光栅面和光栅刻槽面的夹角，因此也是刻槽面法缴口光栅面法线N和n 之间的夹角 取一级衍射项时，对于入射角为巾，而衍射角为。时，光栅方程式 为：d(sin(|)+ sin0)=X因此当光栅位于某一个角度时（奴。一定）,波长疽d成正比，角度的符号规 定由法线方向向光线方向旋转顺时针为正，逆时针为负。几何光学的方向为闪耀 方向，所以可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于 反射角的方向，即-（
4、-4），所以有，。=2侃-0，光栅方程式改为， d（sin0+ 点11（2侃一。）=人本次实验所用光栅，为每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm一 lOOOnm,刻划尺寸为64x64mm%当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为 570nm。由于此时入射角卜。，求得q =21.5 8 ,再代入光栅方程式可以求得 当入射角改变时实现不同波长光的闪耀，如0 = 5,10,30时，X=587nm , 600.5nm , 606.3 nmo3狭缝是单色仪的关键部件，它的宽度范围是03mm ,每格为0.005mm图4狭缝宽度与光谱宽度的关系曲线图5狭缝宽度与光谱分辨率及光谱强度的关系曲线仪器不工作
5、时狭缝开启宽度应放在最小的位置。在调节狭缝宽度时切记不要用力 过猛和过快，要仔细缓慢的调到所要求的值。狭缝应该调到它的最佳宽度，为了 说明这个问题先作一定的假设，设照明狭缝的光是完全荆目干的（即每一点为独 立的点光源）首先设狭缝为无限细，由衍射理论和实验可知谱线的半宽度约为：= 0.86告，这里人为光的波长”为离轴抛物镜的焦距，D时由光栅和抛物镜的口径限制的光束的直径，当狭缝a逐渐变竟时谱线宽度的变化如图4所示, 图5为狭缝宽度与光谱的分牌 R和光谱线的强度I的变化。由图5可见缝宽过大时实际分牌下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取a二an最好。榭居光学的理论知识可以知道，光栅的特性要有：
6、谱线的半角宽度、角色散率 和光谱分辨本领。理论上它们分别为：Nd cos 0D，=等dcosOR = 4 = mNcU图6光电倍增管的结构式中N为光栅的总线数，在本实验中N为64x1200=76800 , m为所用的光的 衍射级次，本实验中m=l。实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和 噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽 度远远大于理论值，因此光谱仅的实际分辨本领远近小于76800。4 、单色仪的接收系统在本实验 中使用光电倍增管，（也可以使用线阵 CCD 下面说明光电倍增管的原理，它是利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。其主要优点是灵
7、敏度高、稳定性好、响应速度快和 噪音低。其主要缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。光电倍增管是电流放 大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。光电倍增管的 基本结构和工作原理如下：当光子打到光电倍增管（简称GDB ）的光电阴极K 上时，由于光电效应会产生一些光电子，这些光电子在光电倍增管中的电场作 用下飞向阳极A ,在阴极K和阳极A之间还有n个电极（DiDn）叫做倍增极， 从图中可以看出极间也有一定的电压（几十到百伏），在极间电压的彳乍用下飞向 阳极A的光电子被一级一级的加速，在加速的过程中它们以高速度轰击倍增极， 使倍增极产生二次电子发射，这样就使得电子的数目大量增加，并逐极
8、递增， 最后到达阳极的电子就会彳艮多，形成很大的阳极电流，由于倍增极的倍增因子 基本是常数，所以当光信号变化时，阴极发射的电子的数目也随之变化，从而 阳极电流也随着光信号发生变化。这样光电倍增管就可以反映光强随时间的变 化。使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流 和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。在本实验中高压为-450伏左右。 实验内容：1.图7为单色仪的主机的外观结构图，首先熟悉仪器的使用，学会 利用测光仪和计算机测量光谱的方法。2. 利用主机上的波长显示器和测光仪上的数字显示测量滤波片的透 过率。3 .测量钠灯或汞灯的光谱,并根据钠或汞的分立光谱线的测量计
9、算出 单色仅的实际分辨本领。4.在测量的时候要注意照明光路的调整、入射狭缝宽度和出射狭缝 宽度问题。实验数据：（原始数据纸质提交）数据处理：鸨灯：波长/nm光强/cd波长/nm光强/cd波长/nm光强/cd波长/nm光强/cd5002055753296505327251115052045803316555067309751021658536666049173580515230590379665463740645202395954236704377455052525060047567540675039530264605464680380535269610494685321540274615515
10、690282545276620560695237550279625588700212555298630572705185560299635566710159565306640555715144570317645546720127经计算机拟合后图像:图像的前半部分有些失真可能受到了日光灯源的干扰较严重，以及机器的示数跳变导致的读数偏差LED 灯：波长/nm光强/cd波长/nm光强/cd波长/nm光强/cd波长/nm光强/cd400044061480311520040504451634851925250410045029249088530041504554614952553504200460620
11、5000540042504657225050545043004706475100550043504754855150计算机拟合曲线:实验结果基本符合水银灯：狭缝宽度/mm估测波峰位置实际波峰典分牌0.2左波峰576.800右波峰578.990左波峰576.8575右波峰578.96000.34000.33000.3左波峰576.800右波峰579.000左波峰576.8225右波峰578.93250.47250.46500.4左波峰576.800右波峰578.900左波峰576.7800右波峰578.85750.64000.6325由r=得分辨本领d/l狭缝宽度为0.2mm时，分辨本领分别为:
12、Ri=576.8575/0.3400=1696.60.3mm 0寸：R=576.8225/0.4725=1220.80.4mm 时：R2 =578.9600/0.3300=1754.4R2 =578.9325/0.4650=1245.07?1=576.7800/0.6400=901.2R2 =578.8575/0.6325=915.2容易看出，分辨能力和狭缝宽度成反比关系 误差分析：1. 实验室有其它自然光干扰2. 所用仪器示数稳定性差，观测波长和读光强存在时间差3. 仪器调节中狭缝与实际刻度存在误差以及光路调节存在误差思考题：1：说明鸨灯和钠灯、汞灯光谱的区别和道理。由实验可知鸨灯的光谱为连续漕，而汞灯的光谱为分立谱。这是由它们不同的发 光机制造成的：鸨灯是由原子电离出的电子所产生的，由于电离出的电子具有连 续的能量分布 所以光谱是连续的汞灯是由原子内部电子发生能级跃迁造成的， 所以光谱是分立的。2：为什麽狭缝具有最佳宣度？如何求出狭缝的最佳宣度？答：由于汞灯是原子发光，所以它的光谱为间断的，理论可知它会出现两个波峰分别为576.96nm和579.06nm ,所以可得它的最佳狭缝宽度为an =Wo =0.86 D =0.86x500 x579.06/64 nm=3.891pmQfan =Wo =0.86 D =0.86x500 x576.96/64 nm=3.876|jm
