光谱透过率测试实验参考资料

实验目的

（1）了解单色仪结构、原理和使用方法；进一步了解锁定放大器的工作原理以及其使用方法。

（2）掌握单色仪的定标方法及用单色仪测定滤光片光谱透过滤的方法。深入理解微弱信号检测的原理。

（3）学会设计检测试样的光谱透过率的方法。

实验原理

1.单色仪工作原理

光栅单色仪的光路结构如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1上。S1处于M1的聚焦面上。因此反射光为平行光束。这束平行光束经闪耀光栅G分光后，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面反射经M2。球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。

图1 WDG30型光栅单色仪原理图

当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光束。这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立的单色光的作用。

使用单色仪时首先要用标准光源对单色仪的读数进行校准，本实验光源采用的是高压汞灯，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm几条特征谱线，根据这些谱线可以对单色仪的读数进行校准。

2.锁定放大器工作原理

本实验选用南京大学生产的HB-211型精密双相锁定放大器，它是一种新型正交锁定放大器，能精确地测量被淹没在嗓声、干扰背景中的微弱信号。该锁定放大器采用了多点信号平均和相敏检波联合使用的技术，完成对被测信号同相分量和正交分量的检测。

并具有动态范围大、漂移小等特点。

仪器原理框图如图2所示，主要包括以下几大部分：输入信号部分、参考信号部分、信号处理部分、单片机功能控制及测量值显示PC机接口部分、电源及其它部分。

图2 HB-211型精密双相锁定放大器原理框图

（1）输入信号通道

输入信号通道由低噪声前置放大器，量程控制放大器，高通、低通滤波器三部分组成。

高通、低通滤波器，是由运算放大器和R,C组成的二阶高通、低通滤波器，原理图如图3所示。由高通、低通滤波器组成带通滤波器，根据待测信号的频率选择高通、低通滤波器的载止频率，组成以待测信号频率为中心的带通特性，抑制干扰，提高仪器的过载能力和动态范围。高通、低通滤波器通截止频率可调。组成的滤波器只能放大被测信号及其频率附近带宽内的噪声，使远离信号频率的噪声或干扰被抑制，达到减小干扰或解除过载的目的。

图3 高通、低通滤波器原理图

（2）参考信号通道

锁定放大器是利用相关接收原理，从噪声或干扰背景中检测微弱信号，因此，他必

须要有一个参考信号通道。参考通道的作用是将外部输入的参考信号(同步信号)，加工成信号处理部分要求的同频方波。经锁相环和分频器组成的倍频电路。对输入信号进行倍频(2f 工作模式)或不倍频(f 工作模式)。f,2f 工作模式根据测量要求，由单片机控制。f,2f 电路的输出去触发宽带相移电路。相移量0°,90°,180°,270°由单片机控制，调节面板旋转能产生0~100°的相移量，此相移器调节的相移量是移动方波的上升沿，用此上升沿去触发由锁相环构成的倍频和分频电路。

（3）信号处理部分

信号处理部分是本仪器的核心，对信号进行多点平均和相关处理，从而能达到从噪声或干扰背景中检测信号，信号处理部分的原理框图如图4所示。

图4 信号处理部分原理框图

由信号通道输出的信号，设为^

sin()s s V V t ω?=+,^

s V

为输入信号的振幅，?为相对于参考信号的相位差。此信号经由参考信号通道输出的f,2f 方波控制的四点平均器进行信号平均。多点信号平均器相当于一个带通放大器，带通的中心频率由参考方波的频率决定，当参考信号频率发生变化时，此带通放大器的中心频率也随着变化。因此，多点信号平均器相当于一个跟踪滤波器，能抑制干扰和噪声。本仪器采用的多点信号平均器是由一个电阻和四个由开关控制的电容器组成，在一个周期内四个开关轮流接通，即每一个电阻电容组成的积分器在四分之一的周期内对信号进行积分。把与参考信号(触发开关的同步信号)同频率的正弦波在四个电容器上积分，在电容上的稳态电压分别为:

^

1[cos cos()]

2a s V K V π

??=-+ ^

1[cos()cos()]

2b s V K V π

??π=+-+ c a V V =- d b

V V =-

式中

1

K 为放大倍数，^

s V 为输入信号的幅值，?为输入信号相对于参考信号的相位差。

多点信号平均器的输出信号

1

V ,通过放大后，与参考信号的调相方波

3

R V 进行相敏检波，相敏检波器是开关式的相敏检波器，对于控制开关的同频信号相对于

1

V 的相位差分

别为0°、90°、180°、270°的输出波形对应的直流分量分别是: ^

2cos s K V ?、

^2sin s K V ?、^2cos s K V ?-、^

2sin s K V ?-。2K 是放大倍数。

相敏检波器的开关同步信号是参考信号输出的调相方波

3

R V 。

3

R V 与

1

V 的相位差分别

为0°、90°、180°、270°四个频率为1024Hz 的周期依次改变，每一种相位占四分之一周期，因此，相敏检波器的同步开关用

3

R V 控制，输出信号通过低通滤波和放大后，在

多点信号平均器Ⅱ中进行同步积累，由于模拟多点信号平均器的同步开关信号与调相同

步开关是同一个1024Hz 的信号控制的，能保证严格同步。如图4所示。多点信号平均器Ⅱ的输出波形

3

V ，多点信号平均器内四个电容上轮流输出的电压分别为^

3cos s K V ?、

^

3sin s K V ?、^

3cos s K V ?-、^

3sin s K V ?-。其中K 为总放大倍数。这波形中包含了被测信号的同相分量^

cos s V ?和正交分量^

sin s V ?。

（4）同相、正交分量测量电路

被测信号用直角坐标分量表示，就需测量出同相分量和正交分量信号平均器Ⅱ的输出信号，通过两个电位器进行分压后，分成两路，分别输给同相分量通道和正交分量通道的相敏检波器(PSD)，两通道的电路完全一样，由相敏检波器(PSD)和低通滤波器组成，所不同的正交PSD 只响应多点信号平均器输出波形中的^

sin s V ?电压，同相PSD 只响应

^cos s V ?电压。通过低通滤波器后，最后的输出的直流电压为：同相分量^

cos x s V KV ?=，

正交分量^

sin y s V KV ?=，很显然，这两个量是相敏的，可以作为矢量电压表使用，或任何一路都可以作为单通道锁定放大器使用。上述两通道的低通滤波器的时间常数，通过单片机控制。本仪器的测量显示是由A/D 变换及单片机处理后。在液晶屏上同时显示

x

V ，

y

V 两分量。

实验仪器

锁定放大器、光栅单色仪、溴灯、斩光器、高压汞灯、会聚透镜、滤光片等。 锁定放大器的使用

1.信号输入

被测信号可以有两个输入端

A V ,B

V 输入，它们为超低噪声前置放大器的两个输入端。

通过输入模式的选择，被测信号可以采用下列输入方式:

单端输入模式：A

V 输入(同相输入)、

B

V 输入(反相输入)

差分输入模式:A V -B

V 输入(差分输入)具有共模抑制能力。 输入短路模式:

A

V 和

B

V 均接地，用于测量输入短路噪声，或保护输入级。

接上待测信号(传感器或其它微弱信号源)，根据待测信号的情况选择输入模式，如果是要单端输入的选用A 输入、差分输入的选用A-B 输入，通过功能设置键进行设置。本实验采用单端A 输入模式。

2.接地端子

在信号输入下方为仪器的接地端子。由于本仪器输入端采用半浮地技术，对信号源、参考源和检测仪器之间的地线要进行合理的接地，被测信号、参考信号和仪器前置放大器的接地端须要用粗大地线连接，输入电缆尽量要短（本实验不需要粗大地线）。

3.时间常数的选择

锁定放大器采用的是窄带抑制噪声技术。等效噪声带宽B 。反比于仪器的时间常T （

1

2n B T =

），时间常数越长，等效噪声带宽越小，即对噪声的抑制能力越强。也就是

说，锁定放大器能获得信噪比的改善是牺牲时间为代价的。对于一个变化缓慢的信号，可以采用较长的时间常数进行测量，但对于一些变化较快的信号，在测量时要注意使用的时间常数与被测量变化速度相适应。时间常数选得过短，则信噪比改善得不够，输出噪声较大。时间常数选择得过长，虽信噪比改善得较好，但有可能把有用的变化信号也给平滑掉，而不能分辫。另外，时间常数选择与被测信号的频率也有关系，特别在对低频信号测量时，时间常数应选得比较长。

4.参考模式f ，2f 的使用

锁定放大器是用相干测量技术测量与参考信号频率同频的信号。

有些测量中，除了要测量基波外，还要测量二次谐波分量。例如测量一些器件的非线性效应，微分电阻等。为了这些测量在本仪器的参考通道中增加了一个f,2f 选择电路，由功能设置的参考模式控制。测量与参考信号频率相同的信号时参考模式选“f ”。要测二次谐波时选“2f ”，请使用时注意。

5.直角坐标分量x V ,y V 和极坐标r V

,?的测量。

一个待测信号

cos()

A V t ω?+，对于锁定放大器所测的信号，频率是已知的，要测量

此信号即是测出其用直角坐标表示的x

V 和

y

V 、用极坐标表示的

r

V 和?。这两个量之的关

系为:

cos x r V V ?

=，sin y r V V ?

=

，

r V =y

x V arctg V ?=

实验内容及步骤

1. 实验内容

主要包扩单色仪的定标和光谱特性的测量。定标即首先利用汞灯的几条特定谱线对单色仪进行校准定标，找出单色仪出射光实际波长与显示波长读数的对应关系；光谱特性的测量即利用宽光谱的卤素灯——溴灯作光源，分别测量探测器在直接接收单色仪出射光和透过被测样品时的光谱响应，从而求出几种样品的光谱透过率。

2.实验步骤

（1）校准单色仪

按图5装置摆好光路，调整透镜尽量使得汞灯的光能聚焦在单色仪的入射狭缝，使

透镜

图5 单色仪校准装置示意图

更多的光能进入单色仪。在单色仪出射狭缝从小到大旋转光栅单色仪的转轮，可以观察到汞灯精细明亮的6条特征谱线，实际波长依次为404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm。记下每条谱线单色仪对应的读数，为消除误差，测量2~3次取平均值。在观察的过程中为使读数更加准确，可以适当减小入射狭缝宽度，增大出射狭缝宽度。

根据汞灯的谱线特性，做出单色仪出射光实际波长值和显示值的曲线关系。这样便可通过单色仪上显示的波长读数计算得知实际出射光波长。

（2）光谱透过率测量

按照图6所示装置放置好实验仪器，溴灯聚焦后的光斑落在单色仪入射狭缝上。调制器输出的信号（根据使用斩波器内外径选择合适的档位和输出端口）接锁定放大器参考信号输入端。探测器的输出接锁定放大器信号输入A端口。将锁定放大器的接地端子与大地连接，设置好仪器的各功能项。

图6 光谱透过率测试装置示意图

实验仪器调整好后，首先测量已知波长滤光片的光谱透过滤，以此来检验整个测试系统的准确度，测量时要适当增大入射狭缝宽度，减小出射狭缝宽度，同时要保证不放滤光片时，锁定放大器显示读数尽量大。

测量样品的光谱透过率，调节单色仪，在可见光范围内，每隔一定波长（10或20nm）记录探测器的光谱响应值（为确保数据准确可测多组）。在光路中放入待测样品，放入样品的时候尽可能使得光线正入射到样品，以免发生反射或样品等效厚度发生变化，重复上述步骤。

3.数据处理

分别整理用锁定放大器和高精读万用表测得数据，绘出被测样品光谱透过率曲线。由于探测器后的放大电路有一定直流偏置，用万用表测量和锁定放大器的测量数据在计算透过率时有所不同。

用锁定放大器测量时，透过率

1

2

a

V

T

V

，其中1V是放入待测样品后测得的电压值、2V

为未放待测样品的电压值。

实验中注意事项

1．照明光路中，透镜的位置选取以均匀照亮入射狭缝为准；

2．定标时，读数鼓轮向一个方向转动以防止回程差；

3．光谱透过率测定过程中，入射光波波长改变，入射和出射狭缝宽度要跟着变。

思考题

（1）本实验采用了什么方法来消除杂散光对测试数据的影响？

（2）若需测试一个探测器的光谱响应灵敏度，实验该如何设计？

（3）请自行设计合理的测试方案来判断试样如汽车太阳膜的优劣。

（4）如发现单色仪定标曲线上相对于已知波长λ的鼓轮刻度L偏离了ΔL，能否将原定标曲线平移ΔL后继续使用，为什么？

心得体会：

附件：

光谱透过率测试实验数据处理

给出的几片窄带滤光片滤光性能：

定标表格