光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)講義

1、1光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)講義光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)講義楊建榮毛杰健一實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解光柵光譜儀的工作原理2、掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)二實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器WDS系列多功能光柵光譜儀計(jì)算機(jī)三實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)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(cè)量?jī)x器。光柵光譜儀是光譜測(cè)量中最常用的儀器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由入射狹縫S1、準(zhǔn)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(gòu)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(gè)表面鍍上高反射的金屬膜或介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射試驗(yàn)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(wàn)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(dǎo)出光柵方程：?(1.1)(sinsin)dm?????光柵方程將某波長(zhǎng)的衍射角和入射角通過(guò)光柵常數(shù)d聯(lián)系起

3、來(lái)，為入射光波長(zhǎng)，m為衍射級(jí)次，?取等整數(shù)。式中的“”號(hào)選取規(guī)則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側(cè)時(shí)取正號(hào)，在法012????線兩側(cè)時(shí)取負(fù)號(hào)。如果入射光為正入射，光柵方程變?yōu)?。衍射角度隨波長(zhǎng)的變化關(guān)0??sindm???系，稱為光柵的角色散特性，當(dāng)入射角給定時(shí)，可以由光柵方程導(dǎo)出，(1.2)cosdmdd????復(fù)色入射光進(jìn)入狹縫S1后，經(jīng)M2變成復(fù)色平行光照射到光柵G上，經(jīng)光柵色散后，形成不同波長(zhǎng)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(zhǎng)的光聚焦在出射狹縫S2上，再由S2后面的電光探測(cè)器記錄該波長(zhǎng)的光強(qiáng)度。光柵G安裝在一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上，當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，就將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)依次聚焦到出射狹縫上，光電探測(cè)器記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波長(zhǎng)）時(shí)的輸出光信號(hào)強(qiáng)度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過(guò)輸出狹縫選擇特定的波長(zhǎng)進(jìn)行記錄，稱為光柵單色儀。在使用單色儀時(shí)，對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行掃描是通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)光柵方程可以給出出射波長(zhǎng)和光柵角度之間的關(guān)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(guò)程后應(yīng)有波長(zhǎng)復(fù)位正確的提示，然后按“確定”進(jìn)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(cè)量方式、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)操作和幫助五項(xiàng)內(nèi)容。3.1.2.1文件文件菜單中包括新建、打開(kāi)、存盤、參數(shù)設(shè)置、打印和退出系統(tǒng)等項(xiàng)。其中，新建，即清除當(dāng)前圖譜文件并重新建立一個(gè)圖譜文件。打開(kāi)，即打開(kāi)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(dāng)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(shè)置，即根據(jù)測(cè)量需對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。在測(cè)量模式一欄中，可選擇能量或透過(guò)率測(cè)量，并在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，對(duì)起始刻度和終止刻度進(jìn)行設(shè)置。能量（０~4095），透過(guò)率（0~100）。在掃描速度一欄中，可對(duì)掃描記錄數(shù)據(jù)的速度進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，當(dāng)樣品未知時(shí)，一般可選擇快速或中速，對(duì)于不同的儀器型號(hào)會(huì)稍有所不同。在掃描方式一欄中，可選擇測(cè)量為連續(xù)方式或重復(fù)方式，或在當(dāng)前波長(zhǎng)對(duì)時(shí)間進(jìn)行記錄。在波長(zhǎng)范圍一欄中，可根據(jù)需要在系統(tǒng)允許的波長(zhǎng)范圍內(nèi)

7、對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。系統(tǒng)允許的波長(zhǎng)范圍根據(jù)儀器型號(hào)的不同有所不同。在光譜帶寬一欄中，系統(tǒng)設(shè)置為手動(dòng)，即根據(jù)測(cè)量需要對(duì)出射、入射狹縫寬度進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。系統(tǒng)默認(rèn)增益為1，若信號(hào)較弱，可適當(dāng)選擇增益（1~4）。打印，即根據(jù)提示對(duì)話框，打印當(dāng)前圖譜。退出系統(tǒng)，當(dāng)結(jié)束系統(tǒng)測(cè)量，選擇此項(xiàng)，根據(jù)提示退出光柵光譜儀操作系統(tǒng)。3.1.2.2測(cè)量方式測(cè)量方式菜單中包括光譜掃描、基線掃描和時(shí)間掃描等項(xiàng)。其中，光譜掃描，即根據(jù)當(dāng)前參數(shù)設(shè)置對(duì)當(dāng)前光譜進(jìn)行記錄。

8、基線掃描，當(dāng)選擇了透過(guò)率測(cè)量方式時(shí)，在光譜掃描之前首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基線掃描以記錄系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，在進(jìn)行基線掃描時(shí)，狀態(tài)欄顯示值一般應(yīng)在0~4095之間。時(shí)間掃描，即在當(dāng)前參數(shù)設(shè)置情況下，對(duì)當(dāng)前波長(zhǎng)進(jìn)行時(shí)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(kuò)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(yùn)算等項(xiàng)。其中，刻度擴(kuò)展，指對(duì)當(dāng)前橫、縱坐標(biāo)的起始、終止刻度在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的放大或縮小。點(diǎn)擊此項(xiàng)功能將彈

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

10、，點(diǎn)擊此項(xiàng)系統(tǒng)彈出提示對(duì)話框，提示選擇當(dāng)前圖譜與任意常數(shù)的加、減、乘、除四則運(yùn)算。3.1.2.4系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作菜單中主要包括波長(zhǎng)檢索、波長(zhǎng)校正、系統(tǒng)復(fù)位和系統(tǒng)設(shè)置等項(xiàng)。其中，波長(zhǎng)檢索，點(diǎn)擊此項(xiàng)系統(tǒng)彈出如圖8所示波長(zhǎng)檢索對(duì)話框，提示輸入目的波長(zhǎng)，波長(zhǎng)范圍為系統(tǒng)允許波長(zhǎng)范圍內(nèi)的任意波長(zhǎng)值。波長(zhǎng)線性校正，當(dāng)對(duì)光柵光譜議儀器系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)波長(zhǎng)值與準(zhǔn)確波長(zhǎng)不對(duì)應(yīng)時(shí)，可通過(guò)此項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)波長(zhǎng)進(jìn)行校正，在對(duì)話框中輸入系統(tǒng)值與實(shí)際波長(zhǎng)值的差值，點(diǎn)擊確定