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光学多通道分析器实验报告

光学多通道分析器的应用

【摘要】光学多通道是一个能够同时对多个检测通道完成光电转换,实现光谱并行检测的探测器。光学多通道利用现代的光电技术——CCD来实现对光谱的接收、测量和处理。本实验通过光学多通道分析器测量了未知光谱(黄光,红光,蓝光等)的波长范围。

【关键词】光学多通道,CCD,光谱

【正文】

一、实验目的

1、了解光学多通道分析器的结构原理;

2、学习光学仪器的校正方法;

3、掌握用光学多通道分析器测量未知光谱的方法。

二、实验仪器

WGD—6型光学多通道分析器,由光栅单色仪,CCD接收单元,扫描系统,电子放大器,A/D采集单元及计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体,是当代光学测量仪器的典型代表。

光学系统采用C—T型,如图2-1所示

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入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝,宽度范围o—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M3成像在S2上。

M2、M3 焦距302.5mm

光栅G 每毫米刻线600条闪耀波长550nm

二块滤光片工作区间 白片350—600nm ,红片600—900nm

仪器的整体结构如图3-2所示

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三、基本知识

1、光谱

光谱是将复色光(白光)经过色散系统分光后的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。光谱中人眼可见波长范围内的电磁辐射称作可见光。

发射光谱有两种类型:连续光谱和明线光谱。

2、色散

复色光(白光)分解为单色光而形成光谱的现象叫做光的色散。色散可以利用棱镜或光栅等作为“色散系统”的仪器来实现。

3、平面衍射光栅

一种由密集﹑等间距平行刻线构成的光学器件。分透射和反射两大类。它利用多缝衍射和干涉作用﹐将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散﹐再经成像镜聚焦而形成光谱。 光谱仪常用的是反射光栅﹐而且是反射闪耀光栅。

光学多通道分析器实验报告

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4、光栅方程

3

,2,1,0)sin (sin ±±±==±j j d λ?θ

d是光栅常数,λ是入射光波长,j是衍射级次,φ是入射角;θ是衍射角,当入射线与衍射线在法线同侧时取“+”;异侧时取“-”。

四、实验内容

1、调节狭缝S1宽度,使其约在0.2mm左右(以后应根据光强情况及分辨率要求随时

调节)。

2、根据所测波长安装滤光片。

3、把汞灯对准狭缝并开灯预热。

4、把光栅单色仪的“转换开关”拨到“CCD”挡,先开外围设备,最后打开计算机。

5、按照使用说明书“操作方法”的要求,用计算机对仪器进行各种控制,全面掌握仪

器的各种性能。

6、用汞灯的标准波长矫正光学多道分析器。

7、手动定标。

8、自拟方案,测量各种灯的波长。

汞灯的标准波长(nm)

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五、实验过程

1、蓝光:

定标步骤:

低压汞灯发出的光经多色仪分光后,其光谱带成像在CCD的感光像元上,CCD就将这个光信号转换成电压值,这些电压值经过放大模数转换和计算机采集,处理得到低压汞灯的光谱图。其中横坐标是通道数,纵坐标是光强。通过对已知谱线定标,将横坐标由CCD的通道转化为波长。选取两个峰值则进行线性定标,三个峰值则进行二次定标,四个峰值则进行三次定标。对照标准汞的光谱图进行定标。

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图一

选取其中的两个点,进行线性定标。将通道数转换为波长值。将蓝光照射狭缝。得到蓝光光

谱图如下:其中蓝光的中心波长是459.02nm,波长范围是:440nm~490nm。

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图二

在图一中仍可以进行二次定标,选取三个点,得到二次定标蓝光的中心波长是461.99nm,波长范围是440nm~490nm。光谱图如下:

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图三

(3)四次定标,选取图一中的全部四个点进行定标:

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图四

四次定标的蓝光的中心波长是487.29nm,波长范围是445nm~510nm。光谱图如下:

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图五

分析发现:

线性定标的蓝光最大波长是459.02nm。二次定标的蓝光最大波长是461.99nm。四次定标的蓝光最大波长是487.29nm。线性定标和二次定标结果相近且误差不大。四次定标的结果偏离理论值。

由dsinθ=kλ可知。当角度较小时,角度间隔最小,当角度增加时,角度间隔增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时,sinθ≈θ,可以简化为线性,即可采用线性定标,更进一步可以从级数展开的角度采用2次,3次或4次定标。

但是由于CCD器件本身尺寸的限制,采用3次和3次以上拟合的结果已失去意义,采用二次定标已经足够了。

2.、黄光定标如下:

得到黄光中心波长是589.49nm,黄光波长范围是:570nm~600nm。

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图六

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图七

3、红光:

得到红光中心波长是634.63nm,红光波长范围是:610nm~650nm。

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图八

4、白炽灯:

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图九

白炽灯靠高温发光发热,所以是连续光谱。连续光谱发生的条件是:炽热的固体,液体和高压气体的光谱,是由连续分布的一切波长的光组成的。

六、实验结果:

蓝光:中心波长为:459.02nm ,范围是:440nm~490nm 。

黄光:中心波长为:589.49nm ,范围是:570nm~600nm 。

红光:中心波长为:634.63nm ,范围是:610nm~650nm 。

七、实验体会:

1、 关于定标采用的次数:

光栅方程为: 不是一个线性方程,所以线性定标不一定是最适合的,所以实验中我尝试了线性,二次,四次定标。

由dsin θ=k 入可知。当叫角度较小是,角度间隔最小,当角度增加时,角度间隔增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时可以简化为线性,即可采用线性定标,更进一步可以从级数展开的角度采用2次,3次或4次定标。

但是由于CCD 器件本身尺寸的限制,采用3次和3次以上的拟合的结果已失去意义,采用二次定标已经足够了。

2.、实验过程中实验室一直开着灯。但影响几乎可以忽略不记。因为只有从狭缝正对着的光才有影响。

3、汞灯光谱如果十分混乱和粗宽,应调节狭缝大小或者移动光源来减少光照,使图像尖锐,从而方便定标。

4、光谱如果呈锯齿状,说明光源不正。

3

,2,1,0)sin (sin ±±±==±j j d λ?θ