光栅光谱仪的使用

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学生姓名

所在系（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、热释电器件和 CCCD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，因此本仪器采用光电倍增管和 CCD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，

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一一打拿极 增极”）一一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，

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，

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。

当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角0取+号，异侧时取—号。单缝衍射 中央主极大的条件是 u=0，即sin O=- sin 0或①=0。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，调节入射狭缝 的缝宽，直接观察狭缝宽度的改变。 先顺时针调节，观察狭缝宽度逐渐增大，然后减小狭缝

宽度至狭缝刚好完全关闭。 后，调节缝宽至约 。同样，调节出射狭缝至 。注意，出射狭

缝后挂接着光电倍增管， 光电倍增管只能接收微弱光强， 不可在室内照明强度下使用， 因此

实验过程中不可取下光电倍增管。

2.寻找狭缝的零点误差。狭缝宽度由微分头调节，存在零点误差，我们可通过实际现 象来判断。打开光谱仪电源控制箱和计算机，启动光谱仪软件。将溴钨灯安装到入射狭缝 处（灯的前端接口与狭缝是配套的，可直接挂上） ，打开溴钨灯电源，调节电流至 大。调节

负高压至300V，设在软件 “参数设置”中选择工作模式为“能量”，间隔，工作范围（即 起始波长和终止波长）为 200-660nm，采集次数为25，其它参数不变。 点击菜单“定点”

按钮，弹出的对话框中设置波长 （500nm）和扫描时间（60s），设置后仪器将自动扫描至 500nm 处连续测量光强，60秒后停止。在扫描过程中，分别调节入射和出射狭缝，可即时看到出 射光强的变化。保持出射狭缝 不变，减小入射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变，

光强一般至少小到 10以下），此临界位置即为入射狭缝的零点。 保持不变，逐渐减小出射狭缝，使光强刚好减小至零（或小到不变） 狭缝的零点。记录零点误差。

调节入射狭缝为 ，出

射狭缝为，工作范围580-600nm，间隔，负高压约300V，选择寄存器1 ）。点击“单程” 开始扫描，扫描结束后，如果谱线的最大值小于 200或者大于950，则适当增大或减小负

高压（以后所有的谱线都要满足这个条件，不再赘述） ，再次扫描。得到合适的谱线后，用

软件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线， 并与理论值比较，如果误差超过1nm,则用软

件的修正功能予以修正。

4.量高压汞灯光谱（入射狭缝为 ，出射狭缝为，200-630nm,间隔，负高压与钠灯 相当，选择寄存器 2），寻峰，记录波长和相对光强。与理论值比较，作标准值-测量值曲 线图，并得出光谱仪的波长修正公式；

5. 测量氢（或者氢氘）原子光谱。氢灯灯管很细，注意尽量对准狭缝，负高压预设600V, 如没有谱线，应左右移动氢灯使其对准狭缝再测 （分三段测量，650-660nm , 480-500nm , 380-

440nm间隔，分别选择寄存器 3、4、5），寻峰，记录波长和相对光强，由上一步得到的 修正公式计算实际的波长和里德伯常数，并与理论值比较；

4 实验结果数据

波长入（nm）

4.高压汞灯光谱:

5.氢原子光谱:

400

LU

W 二

:J3e5.26ritn

350

300

250

200

150

100

50

4S0

485

500

I-

490 495

波长A(nm)

5数据处理

1.用汞光灯谱数据，作入 理一入散散点图，拟合并得到曲线公式

350

400

550

600

4

C

0 5 0

6 5 6

450 500

测量波长入(nm)

2.作滤色片的透过率曲线

350 400 450 500 550 600' 650 700

波长Vnirn)

6 实验总结

本次实验作为这学期的第一次实验，难度算一般，唯一的缺点在于本次实验比较费时 间，而且反复性较强，一次成功比较难， 故需要有一定耐心。 这次实验学习使用了光栅光谱 仪并且对光谱有了一定的了解，并且了解了光栅光谱仪的原理，在数据处理上 origin lab 的使用还不够熟练，需要探索并做到使用流畅，总之本次实验比较顺利。

7 参考文献

[1] 杨胡江、肖井华、尚玉峰、程洪艳 近代物理实验讲义 [M] P60~64 北京邮电大学理学院物理实 验中心

[2] 多功能光栅光谱仪 （单色仪 ）: [3] 光栅光谱仪的定标 : 杨晓冬，李正灯，李惠玲，周杰，钟远聪 光栅光谱仪入射与出射狭缝宽度对 测量谱线线宽影响研究

嘉应学院学报》 , 2008, 26(6):38-41

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/a46c0d9b356baf1ffc4ffe4733687e21ae45ff15.html