文档介绍：光栅光谱仪实验
一实验目的
1、了解光栅光谱仪的工作原理
2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术
二实验仪器
WDS8A型组合式多功能光栅光谱仪,计算机, 氘灯、钠灯、汞灯等各种光源
三实验原理
图1光栅光谱仪示意图
光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器,基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面(可以是平面或凹面)刻画出一系列平行、等距的刻线,然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜,就构成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间距d称为光栅常数,通常刻线密度为每毫米数百至数十万条,刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后,相邻刻线产生的光程差,为入射角,为衍射角,则可导出光栅方程:
()
光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来,为入射光波长,m为衍射级次,取等整数。式中的“”号选取规则为:入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号,在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射,光栅方程变为。衍射角度随波长的变化关系,称为光栅的角色散特性,当入射角给定时,可以由光栅方程导出
, ()
复色入射光进入狭缝S1后,经M2变成复色平行光照射到光栅G上,经光栅色散后,形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射,M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上,再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上,当光栅旋转时,就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上,光电探测器记录不同光栅旋转角度(不同的角度代表不同的波长)时的输出光信号强度,即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录,称为光栅单色仪。
在使用单色仪时,对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系(如图2所示)
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图2 光栅转动系统示意图
2ψ
转台
衍射光
入射光
光栅
其中,为光栅的旋转角度,为入射角和衍射角之和的一半,对给定的单色仪来说为一常数。
四实验装置
WDS系列多功能光栅光谱仪的操作由计算机操作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度、出射狭缝宽度和负高压(光电倍增管接收系统)不受计算机控制用手工设置外,其它的各项参数设置和测量均由计算机来完成。WDS系列多功能光栅光谱仪结构框图如右图所示。
1 光学系统
光谱仪光学系统,如图1所示:M1准光镜、M2物镜、M3转镜、G平面衍射光栅、S1入射狭缝、通过旋转M3选择出射狭缝S2或S3从而选择接收器件类型,出射狭缝为S2则为光电倍增管或硫化铅、钽酸锂、TGS等接收器件;D接受器件。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝,宽度范围0~2mm连续可调,光源发出的光束进入入射狭缝S1,S1位于反射式准光镜M2的焦面上,通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上,衍射后的平行光束经物镜M2成像在S2上,或经物镜M2和M3平面成像在S3上。
光源系统为仪器提供工作光源,可选氘灯、钨灯、钠灯、汞灯等各种光源。
2 电子系统
电子系统由电源系统、接收系统、信号放大系统、A/D转换系统和光源系统等部分