文档介绍：光栅光谱仪的使用
学号
学生姓名张家梁
专业名称应用物理学(通信基础科学)
所在系(院) 理学院
2017 年 3 月 14 日
光栅光谱仪的使用
张家梁
1 实验目的
1. 了解光栅光谱仪的工作原理。
2. 学会使用光栅光谱仪。
2 实验原理
1. 光栅光谱仪
光栅光谱仪结构如图所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上,因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上,衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转,从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围,确保衍射光无级次重叠,可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。
光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、CD 等多种,经过光栅衍射后,到达出射狭缝的光强一般都比较弱,D 来接收出射光。
2. 光探测器
光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器,它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成,并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”) ──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时,由于光电效应,阴极发射电子,把微弱的光输入转换成光电子;这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦,光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极,产生二次电子,由于二次发射系数大于 1,电子数得到倍增。以后,电子再经倍增系统逐级倍增,阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号,在负载电阻上以电压信号的形式输出。
CCD 是电荷耦合器件的简称,是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件,在电路中常作为信号处理单元。D 常用作图象传感和光学测量。D 能同时探测一定波长范围内的所有谱线,因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。
3. 闪耀光栅
在光栅衍射实验中,我们了解了垂直入射时(Φ=90°)光栅衍射的一般特性。当入射角Φ=90°时,衍射强度公式为
光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定,只不过此时
当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时,衍射角θ取+号,异侧时取-号。单缝衍射中央主极大的条件是 u=0,即sinΦ=-sinθ或Φ=θ。将此条件代入到多缝干涉因子中,恰好满足 v=0,即 0 级干涉大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射 0 级大位置是重合的(图 ),光栅衍射强度大的峰是个波长均不发生散射的 0 级衍射峰,没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。
为了提高信噪比,可以采用锯齿型的反射光栅(又称闪耀光栅)。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样,多缝干涉条件只取决于光栅常数,与锯齿角度、形状
无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时,两者 0 级极大的角度也一样。闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝,衍射条件与齿面法线有关。,中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法线 N,于是造成衍射极大与 0 级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数,可以使光栅衍射的某一波长强峰发生在 1 级或其它高级干涉极大的位置。图是平面光栅和闪耀光栅衍射各级谱线强度示意图。
闪耀光栅是许多光栅光谱仪中采用的色散器件。
3 实验步骤
1. 粗调狭缝宽度。不打开光谱仪控制箱电源,取下入射狭缝前的光源,调节入射狭