光柵光譜儀實驗講義

1、1光柵光譜儀實驗講義光柵光譜儀實驗講義楊建榮毛杰健一實驗目的實驗目的1、了解光柵光譜儀的工作原理2、掌握利用光柵光譜儀進行測量的技術二實驗儀器實驗儀器WDS系列多功能光柵光譜儀計算機三實驗原理實驗原理光譜儀是指利用折射或衍射產(chǎn)生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量中最常用的儀器，基本結構如圖1所示。它由入射狹縫S1、準直球面反射鏡M1、光柵G、聚焦球面反射鏡M2以及輸出狹縫S2構成。衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件。它是在一塊

2、平整的玻璃或金屬材料表面（可以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質(zhì)膜，就構成一塊反射試驗射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通常刻線密度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。入射光經(jīng)光柵衍射后，相鄰刻線產(chǎn)生的光程差，為入射角，(sinsin)sd??????為衍射角，則可導出光柵方程：?(1.1)(sinsin)dm?????光柵方程將某波長的衍射角和入射角通過光柵常數(shù)d聯(lián)系起

3、來，為入射光波長，m為衍射級次，?取等整數(shù)。式中的“”號選取規(guī)則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側時取正號，在法012????線兩側時取負號。如果入射光為正入射，光柵方程變?yōu)椤Ｑ苌浣嵌入S波長的變化關0??sindm???系，稱為光柵的角色散特性，當入射角給定時，可以由光柵方程導出，(1.2)cosdmdd????復色入射光進入狹縫S1后，經(jīng)M2變成復色平行光照射到光柵G上，經(jīng)光柵色散后，形成不同波長的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2

4、將照射到它上面的某一波長的光聚焦在出射狹縫S2上，再由S2后面的電光探測器記錄該波長的光強度。光柵G安裝在一個轉(zhuǎn)臺上，當光柵旋轉(zhuǎn)時，就將不同波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上，光電探測器記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波長）時的輸出光信號強度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進行記錄，稱為光柵單色儀。在使用單色儀時，對波長進行掃描是通過旋轉(zhuǎn)光柵來實現(xiàn)的。通過光柵方程可以給出出射波長和光柵角度之間的關系（如圖2所

5、示）圖1光柵光譜儀示意圖3在系統(tǒng)初始化過程后應有波長復位正確的提示，然后按“確定”進入系統(tǒng)操作主界面。3.1.2菜單欄的使用系統(tǒng)菜單欄包括文件、測量方式、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)操作和幫助五項內(nèi)容。3.1.2.1文件文件菜單中包括新建、打開、存盤、參數(shù)設置、打印和退出系統(tǒng)等項。其中，新建，即清除當前圖譜文件并重新建立一個圖譜文件。打開，即打開已存圖譜文件，可根據(jù)系統(tǒng)提示選擇文件所在路徑。存盤，即保存當前圖譜文件，可根據(jù)系統(tǒng)提示選擇文件保存路徑。參

6、數(shù)設置，即根據(jù)測量需對系統(tǒng)參數(shù)進行相應的參數(shù)設置。在測量模式一欄中，可選擇能量或透過率測量，并在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，對起始刻度和終止刻度進行設置。能量（０~4095），透過率（0~100）。在掃描速度一欄中，可對掃描記錄數(shù)據(jù)的速度進行相應的設置，當樣品未知時，一般可選擇快速或中速，對于不同的儀器型號會稍有所不同。在掃描方式一欄中，可選擇測量為連續(xù)方式或重復方式，或在當前波長對時間進行記錄。在波長范圍一欄中，可根據(jù)需要在系統(tǒng)允許的波長范圍內(nèi)

7、對其進行相應的設置。系統(tǒng)允許的波長范圍根據(jù)儀器型號的不同有所不同。在光譜帶寬一欄中，系統(tǒng)設置為手動，即根據(jù)測量需要對出射、入射狹縫寬度進行相應的設置。系統(tǒng)默認增益為1，若信號較弱，可適當選擇增益（1~4）。打印，即根據(jù)提示對話框，打印當前圖譜。退出系統(tǒng)，當結束系統(tǒng)測量，選擇此項，根據(jù)提示退出光柵光譜儀操作系統(tǒng)。3.1.2.2測量方式測量方式菜單中包括光譜掃描、基線掃描和時間掃描等項。其中，光譜掃描，即根據(jù)當前參數(shù)設置對當前光譜進行記錄。

8、基線掃描，當選擇了透過率測量方式時，在光譜掃描之前首先要對系統(tǒng)進行基線掃描以記錄系統(tǒng)當前狀態(tài)，在進行基線掃描時，狀態(tài)欄顯示值一般應在0~4095之間。時間掃描，即在當前參數(shù)設置情況下，對當前波長進行時間記錄。3.1.2.3數(shù)據(jù)處理在數(shù)據(jù)處理菜單中包括刻度擴展、局部放大、峰值檢索、峰值顯示、讀取數(shù)據(jù)、光譜平滑、光譜微分和光譜運算等項。其中，刻度擴展，指對當前橫、縱坐標的起始、終止刻度在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)進行相應的放大或縮小。點擊此項功能將彈

9、出如圖6所示對話框。局部放大，指對當前圖譜文件進行部分放大。峰值檢索，指讀當前圖譜文件中一定范圍內(nèi)的峰值進行檢索并將結果顯示出來。點擊此項彈出如圖7所示對話框，提示輸入峰值高度，輸入峰值高度后，點擊確定即可。讀取數(shù)據(jù)，即讀取當前圖譜的橫、縱坐標數(shù)據(jù)，可選擇列表方式或光標讀取方式。光譜平滑，點擊此項系統(tǒng)將對當前圖譜文件進行平滑處理，以去掉噪聲或過小的峰值，來方便圖譜的讀取或辨別。光譜微分，點擊此項功能可對當前圖譜進行一至四次微分。光譜運算

10、，點擊此項系統(tǒng)彈出提示對話框，提示選擇當前圖譜與任意常數(shù)的加、減、乘、除四則運算。3.1.2.4系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作菜單中主要包括波長檢索、波長校正、系統(tǒng)復位和系統(tǒng)設置等項。其中，波長檢索，點擊此項系統(tǒng)彈出如圖8所示波長檢索對話框，提示輸入目的波長，波長范圍為系統(tǒng)允許波長范圍內(nèi)的任意波長值。波長線性校正，當對光柵光譜議儀器系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)波長值與準確波長不對應時，可通過此項對系統(tǒng)波長進行校正，在對話框中輸入系統(tǒng)值與實際波長值的差值，點擊確定