光栅光谱仪试验讲义浙江大学光电科学与工程学院.doc

PAGE 1 光栅光谱仪实验 浙江大学光电信息工程实验中心 一 实验目的 1、了解光栅的分光原理及主要特性； 2、了解光栅光谱仪的工作原理； 3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法； 二 实验仪器 1、低压汞灯及电源：发光波长404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm； 2、透镜及固定调节架2个：（焦距f=45mm，口径38mm；焦距f=190mm，口径38mm）； 3、狭缝及固定调节架1个：0~2mm； 4、光栅及固定调节架1个：光栅自制； 5、USB接口摄像头及固定调节架1个； 6、计算机及软件； 三 实验原理 衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，它的记录介质多采用光致抗蚀剂，一般用激光器作光源，可产生每毫米几千条对的空间频率的光栅，并且通过曝光和显影，直接得到浮雕型的正弦透射光栅。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。当平行光入射到一块平面衍射光栅时，让衍射光波经过一透镜，则在透镜焦平面上得到光栅的夫琅和弗衍射图象，见图一。如果光源是平行于光栅刻痕的狭缝光源发出的准单色光，则衍射花样是一些分立的亮线（亮条纹）。 图一 光栅衍射图 亮纹位置满足如下条件——光栅方程式 …… （1） 式中，d为光栅常数，d=a+b， 在可见光范围内，d一般在1/1000～1/500mm之间。为第m级亮纹对应的衍射角，λ为入射光波长，i为入射平行光对光栅面的入射角，m为多缝干涉主极大级数。入射光处于光栅面法线同侧的亮条纹时上式中取正号；异侧时取负号。光栅上的每一条缝的单缝衍射在θ方向上P点产生一个光振动，N条缝在P点产生的N个光振动的振幅相同，他们的相干叠加决定了P点的光强，光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉的总效果。 亮纹（主极大）中心位置满足光栅方程中m＝0，（θ＝0）时，dsinθ＝0为中央明纹中心。????????其他亮纹（主极大）中心位置： ????????满足多缝干涉的光栅方程：?? （2） 不满足单缝衍射暗纹条件： （3） m’为单缝衍射暗纹级数。?????? （2、3）式要同时满足，才会出现主极大 ??????? 暗条纹位置： （4） （5） ???????? （4、5）式只需满足一个便是暗纹。 1．光栅的色散 复色光入射时，除零级外各波长的衍射亮线分开，各色同级亮级分开的程度用光栅的色散来表示。定义： 角色散（弧度/埃）； 当小时，。 线色散 （毫米/埃）。 可见光栅的色散与光波长无关，它仅决定于光栅常数d和被考察亮线的级次m，色散是作为分光元件的衍射光栅的重要特性参数。 根据光栅方程，只要测得某光波第m级亮级的衍射角，并已知光栅常数d和入射角i，则可求得该光波波长。 同时，如果测得各色光第m级亮线的衍射角θ，则可算得各色光的波长差，求得第m级亮线的角色散。为会聚透镜的焦距。 2．光栅的色分辩本领 光栅的色分辩本领用波长λ附近能被分辩的最小波长差的比值来表示，即： 式中m是光谱级次，N是光栅的总刻痕数。 3．光栅的自由光谱范围 光栅光谱中，不发生越级的最大光谱范围称为光栅的自由光谱范围，表示为 可以看出，光栅的色分辩本领正比于刻痕数N和级次m，但自由光谱范围反比干涉级次m，所以光栅使用时应根据需要合理地选择参数。 四．实验装置 光栅光谱实验装置如图二所示，光源发出的光经透镜A汇聚到狭缝上，狭缝放置在透镜B的前焦面上，出来的平行光入射到光栅上，通过摄像头自带的透镜成像到光电接收器。 光源 光源 Lens A 狭缝 Lens B 光栅 f 摄像头 图二 光栅光谱实验装置 五．实验步骤 启动汞灯。观察光源发出连续的光，而不是时断时续即可。 利用现有平台布置光路，放置透镜A（焦距＝45mm），使得光源发出的光汇聚到狭缝面上，同时要求狭缝位于光斑的中心位置。 调节狭缝宽度为1mm。狭缝宽度范围0~2mm连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小。每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm，最大调节宽度为2mm。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意最大不要超过2mm。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最好调节到0.1mm~0.5mm左右。 调节透镜B位置，使狭缝处于透镜B的前焦面上，经透镜B后成为平行光。 调节光栅的位置，观察反射光使其与狭缝重合。 启动计算机，运行计算机桌面上的软件TopSpeed amcap.exe采集光谱图像。主要操作步骤如下： 调整软件设定（选项/格式/输出大小），使采集光谱图像的分辨率800×600或1024×768；颜色空间压缩选用YUY2、频率30Hz。 调整曝