多功能光栅光谱仪(单色仪)构造图解读
多功能光栅光谱仪的使用-PPT课件
将光谱仪电压调到500 V左右，可见的光谱为 589.0nm、589.6nm。
3.观察氢——氘原子光谱并描绘测得的图象 ,利用 测得的数据值计算里德伯常数。 将光谱仪电压调到1000 V左右，可测的氢光谱为 410.17nm、434.05nm、486.13nm、656.28nm。 计算氢原子的里德波常熟，并计算D，H的原子核 质量比。
n
其中 n
*
R n
*2
* n n , 为有效量子数，当 无限大时，
为线系限的波数
钠原子光谱项
R R T= *2 n (n )2
它与氢原子光谱项的差别在于有效量子数n 不是 整数，而是主量子数n减去一个数值Δ ，即量子修正 Δ ，称为量子缺。量子缺是由原子实的极化和价电子 在原子实中的贯穿引起的。
三、注意事项
1.光电倍增管不宜受强光照射（会引起雪崩效应）， 因此测量时不要使入射光太强。 2.氢、氘光的谱线相隔很近，因此测量时要求灵敏度 最高（能量间隔0.01nm），电压接近1000伏；保持 室内安静。同时，由于氢、氘灯的电压很高（4000 伏左右），在使用过程中不要轻易触摸。 3.为了保证测量仪器的安全，在测量中不要任意切换 光电倍增管和CCD；入射狭缝的调节范围在2nm内， 若入射狭缝已经关闭就不要再逆时针旋动螺栓，以 免损坏狭缝。
多功能光栅光谱仪的使用
-氢（氘）、钠原子发射光谱的研究
孟
祥
省
物理工程学院 qfxsmeng163
一、原理
仪器设备
WGD－8A型组合式多功能光栅光谱仪，由 光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放 大器，A/D采集单元，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。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置 （C-T）型，如图所示。
4-05光栅光谱仪
色散本领： i) 角色散本领：
dq
dq k Dq º = dl d cosq k
单位：°/nm 色散本领指的是中心位置！
ii) 线色散本领：
光栅周期d越小、衍射级数k越高，色散本领越大。
dl kf Dl º = fDq = dl d cosq k
单位：mm/nm
焦距越大、色散本领越大，线色散本领越大。
1级 3级 2级
sin k
d
光栅公式： d sin k 区别于棱镜光谱仪的是光栅光谱仪有多套光谱，分别对 应于光栅的不同衍射级次，而棱镜光谱仪只有一套。
0级
2. 光栅的色散本领和色分辨本领
光谱仪的参数
1. 2. 3. 4. 5. 6. 分开不同波长的光： 色散本领、色分辨本领 自由光谱范围 记录不同波长的光的强度：强度分辨本领 时间分辨本领 效率 价格
1.光源 1. 2. 3. 4. 5. 6.
2.照明准直
3.分光
4.成像
5.接收
原子发光和吸收 分子吸收 喇曼散射 荧光 激光 氙灯 钨灯
1. 2. 3. 4.
物质（棱镜） 衍射（光栅） 干涉（F－P） 干涉（傅里叶）
1. 2. 3. 4. 5.
直读 照相 光电 CCD CMOS
1. 光栅的分光原理
dn R b d
作业
p.30: 1, 3, 4
600线/mm,458nm
光栅光谱仪
被 测 样 品
匹 配 透 镜
入 射 狭 缝
探测器
出 射 狭 缝
光谱仪 & 单色仪
小型光纤光谱仪
5. 棱镜光谱仪的色散本领
dn b dn 2 2 1 n sin 2 d a d 2 sin 2
光栅的选择与分析
最基础的光栅方程如下：(1-1)在大多数单色仪中，入口狭缝和出口狭缝位置固定，光栅绕其中心旋转。
因此，分离角D V成为常数，由下式决定，(1-2)对于一个给定的波长l，如需求得a和b，光栅方程(1-1)可改写为：(1-3)假定D V值已知，则a和b可通过式(1-2)、(1-3)求出，参看图1.1、1.2和第2.6节。
图 1.1 单色仪结构示意图 1.2 摄谱仪结构示意L= 入射臂长度AL= 波长l n处出射臂长度Bb=光谱面法线和光栅面法线的夹角HL=光栅中心到光谱面的垂直距离H1.2 角色散rad/nm (1-4)dβ = 两个不同波长衍射后角度的差值（弧度）dλ = 两个波长的差值（nm）1.3 线色散线色散定义为聚焦平面上沿光谱展开方向单位长度对应的光谱宽度，单位是nm/mm，Å/mm，cm-1/mm。
以两台线色散不同的光谱仪为例，其中一台将一段0.1nm宽的光谱衍射展开为1mm，而另一台则将10nm宽的光谱衍射展开为1mm。
很容易想象，精细的光谱信息更容易通过第一台光谱仪得到，而非第二台。
相比于第一台的高色散，第二台光谱仪只能被称为低色散仪器。
线色散指标反映了光谱仪分辨精细光谱细节的能力。
中心波长l在垂直衍射光束方向的线色散可表示为：nm/mm (1-5)式中L B为等效出射焦距长度，单位mm，而dx是单位间隔，单位mm。
参见图1.1。
单色仪中，L B为聚焦镜到出口狭缝的距离，或者当光栅为凹面型时光栅到出口狭缝的距离。
因此，线色散与cos b成正比，而与出射焦长L B、衍射级数k以及刻线密度n这些参数成反比。
对于摄谱仪而言，任一波长的线色散可通过衍射方向垂直光谱面的波长l其色散值经倾斜角(g)的余弦修正得到。
图1.2给出了“平场”摄谱仪的结构，n通常它同线阵二极管配合使用。
线色散：(1-6)(1-7)(1-8)1.4 波长和衍射阶次图1.3给出了摄谱仪中聚焦光谱面上光谱范围从200nm到1000nm的一级衍射谱。
光栅光谱仪
q b -q b D
qb
d
图4.4-10 闪耀光栅的衍射（垂直槽面照射）
② 平行光垂直光栅平面入射 由于刻槽表面相对于光栅面法线方向夹角为qb，单槽衍射的0级极大值 不再沿刻槽面法线方向，而是沿与光栅面夹角 q0=2qb的反射方向。相邻刻
槽表面反射的光束间的光程差变为：D=dsin(2qb)。因此，闪耀条件变为 ， j= 1, 2, 3, · · ·
4、光栅的色分辨本领
色散本领只反映谱线（主极强）中心分离的程度，它 不能说明两条谱线是否重迭，要分辨波长很接近的谱线需
要每条谱线都很细。
λ λ+δλ 角间隔：δθ 谱线半角宽度:Δθ 无法分辨:Δθ＞δθ 刚好分辨:Δθ =δθ 较好分辨:Δθห้องสมุดไป่ตู้δθ （见图2-2）
瑞利判据： Δθ=δθ 两条谱线刚好分辨的极限 谱线的半角宽度：△θ=λ/(N d cosθk ) δλ=δθ /Dθ= △θ/Dθ = (λ/N d cosθk ) / [k /(d cosθk) ] =λ/(N k) δλ越小，色分辨本领越大。 分光仪器的色分辨本领定义为：R=λ/δλ 光栅的色分辨本领公式为：R=N k 只与k、N有关，与d无关。
( j 0,1,2,3, ) 布喇格方程
即当满足上式时，各层面上的众多粒子的无穷次波（即反射光）相干加 强，形成细锐的亮点，称为 j 级衍射主极大。
因为晶体中粒子排列的空间性，所以，劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。
X射线衍射现象
晶体
X 射线
劳厄斑
诺贝尔奖颁奖现场
X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域， 而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技 术上有着广泛的应用。 在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。 1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用 X 射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖 核酸（DNA) 的双螺旋结构，荣获了1962 年 度诺贝尔生物和医学奖。
光栅光谱仪——精选推荐
光栅光谱仪实验讲义 一 实验目的 1、了解光栅光谱仪的工作原理 2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术 二 实验仪器 WDS 系列多功能光栅光谱仪,计算机 三 实验原理 光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。
光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。
它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G 、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。
它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。
相邻刻线的间距d 称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。
入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差(sin sin )s d αβΔ=±，α为入射角，β图1光栅光谱仪示意图为衍射角，则可导出光栅方程： (sin sin )d m αβλ±= (1.1) 光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d 联系起来，λ为入射光波长，m 为衍射级次，取等整数。
式中的“”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。
如果入射光为正入射0,1,2,±±L ±0α=，光栅方程变为sin d m βλ=。
衍射角度随波长的变化关系，时，出 称为光栅的角色散特性，当入射角给定可以由光栅方程导cos d m d d βλβ=， (1.2) 2变成复色平行光照射到光栅G 上，经光栅色散后，形成不同波长的平角度复色入射光进入狭缝S1后，经M 行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。
光栅G 安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。
光栅单色仪的调整和使用 (11)
光栅单色仪的调整和使用实验题目：光栅单色仪的调整和使用实验目的：了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、LED和汞灯的光谱了解单色仪的特点。
实验原理：一.光栅单色仪的结构和原理2、分光系统，3、接受系统。
单色仪的光源有：火焰、电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。
如下图所视，当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为φ（见图）时，光栅的闪耀角为θ。
取一级衍射项时，对于入射角为φ，而衍射角为θ时，光栅方程式为：d(sinφ＋sinθ)= λ因此当φ、θ一定时，波长λ与d成正比。
几何光学的方向为闪耀方向，则可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于反射角的方向，即)(bbθθθφ---=-，所以有φθθ-=b2，光栅方程式改为：λφθφ=-+))2sin((sinbd单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm光栅的面积64⨯64mm2光栅的刻划密度为1200线/mm二、狭缝宽度缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小。
最佳狭缝宽度为：Dfanλ=86.0。
其中f为抛物镜的焦距，D是由光栅和抛物镜的口径限图1 单色仪的组成光源透镜分光系统接收系统系统制的光束的直径，实验中f ＝500mm ，D=64mm 。
根据光学的理论知识可知，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。
根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。
理论上它们分别为：式中N 为光栅的总线数，在本实验中N 为64⨯1200=76800，m 为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。
实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。
数据及数据处理：焦距f=500mm.光栅的面积64⨯64mm 2 光栅的宽度D=64mm ，光栅的刻划密度为1200线/mm,1、最佳狭缝宽度D fa n λ=86.0=0.86×500 ×579.06/64 nm=3.891μm D fa n λ=86.0=0.86×500 ×576.96/64 nm=3.876μm2、理论分辨本领R=1×64×1200=76800m 为干涉级次，这里m=1，N 为光栅的总线条数。
光栅式光谱仪原理剖析
四、光栅的转动机构 1.由光栅转角测波长
单色仪和分光光度计中，入射和出射狭缝位置 都是固定的，所以一旦光栅安装好后，入射光与出 射光之间的夹角δ就固定不变了，如图12.2-6所示 (图中δ=900)。用δ角的平分线B作为光栅转动角度 的度量起点线，当光栅转动角度时（N为光栅法线） 应有以下关系式：
➢ 设摇杆AC长为L，螺杆B直线位移S，显然：
S Lsin
➢ 将式 K sin 代入上式得
K S...........(7)
L
此面为光栅 平面
A
L
φ
C
S B
转盘 光栅
图12.2-137 光栅光谱仪中的正弦机构
➢
➢ 故波长λ与螺杆直线位移量S成线性关系。也与
螺杆转角成线性关系。
➢ 光栅光谱仪巧妙地用一，变成 波长与螺杆位移的线性关系，实现了测量的线性 化。
12.2-5所示。大多数光栅光谱仪采用此系统。
➢ 光栅中心位于入射光线与出射光线的对称轴上，两个 球面反射镜的焦距均为 300mm,入射与出射狭缝位于球面 镜的焦面。
➢ 平面反光镜作为折光镜将出射光线折转 900，以使出 缝与入缝 900的垂直分布，可以避免因为光源与光电接收 器距离过近而相互干扰。
dsin i sin .........( 1)
入射与出射光在光栅法线同侧取+号， 在异侧取负号。
dsin
1
d
i
2’
dsini
1’
图12.2-1
dsin
i dsini
➢ 如图12.2-2所示，光栅光谱仪中，入射与出射 光在光栅法线异侧，取负号。
单色仪的调整和使用
单色仪的调整和使用实验目的：了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。
实验原理：一、 光栅单色仪的结构和原理如图1 所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。
单色仪的光源有：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）、 电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。
光栅单色仪的分光系统如图2所示，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜M1的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。
图1 单色仪的组成透镜接收系统S1当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。
图2 所示为李特洛式系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高，更换光栅方便。
分光系统中的光栅是闪耀光栅，以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成光栅，由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是该光栅复制的光栅，它可以将单缝衍射因子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。
因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大即几何光学的方向集中了光的大部分能量，这个方向就是闪耀光栅的闪耀方向，使用闪耀光栅可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比。
二：单色仪外观图N入射光φ θbd衍射光-θ 图3 闪耀光栅的工作原理n-θb 图 4 单色仪外观图（1）入射狭缝 （2）出射狭缝 （3）出射狭缝前后调节螺钉 （4）波长显示器 （5）手动扫描旋钮 （6）仪器铭牌 （7）扫描速度旋钮 （8）扫描方向开关 （9）扫描启停开关 （10）电源指示灯 （11）报警灯 （12）电源开关 （13）本机/计算机转换开关 （14）前透镜 （15）钨灯 （16）导轨 （17）光电倍增管 （18）测光仪后面板 （19）测光仪前面板 （20）光电头电缆 （21）钨灯电缆 （22）计算机电缆理论值的计算:焦距f=500mm.光栅的面积64⨯64mm 2 光栅的宽度D=64mm ，光栅的刻划密度为1200线/mm1、 最佳狭缝宽度 由于汞灯是原子发光，所以它的光谱为间断的，理论可知它会出现两个波峰风别为576.96nm 和579.06nm 所以可得它的最佳狭缝宽度为D fW a o n λ86.0===0.86×500 ×579.06/64 nm=3.891μm D fW a o n λ86.0===0.86×500 ×576.96/64 nm=3.876μm 2、理论分辨本领Rm 为干涉级次，这里m=1，N 为光栅的总线条数。
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多功能光栅光谱仪（单色仪）的构造图
多功能光栅光谱仪（单色仪）是一个光谱分析研究的通用设备。
可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元素光谱（使用元素灯作为光源），也可以作为更为复杂的光谱仪器的后端分析设备，比如激光拉曼/荧光光谱仪。
多功能光栅光谱仪（单色仪）的结构包括：
1、光源
2、光栅及反射镜
3、准光镜和物镜
4、入射出射狭缝旋钮
5、接收设备（光电倍增管/CCD）
6、计算机及软件系统
图1：多功能光栅光谱仪（单色仪）
图2：多功能光栅光谱仪光路图
图3：多功能光栅光谱仪内部结构
图4：光栅及反射镜
光栅由步进电机驱动，由计算机软件驱动，可以获得较高的精度。
反射镜1将由入射狭缝进入的光线反射到准光镜上。
反射镜2离开光路时，物镜上射来的光线直接进入出射狭缝到光电倍增管，而当反射镜2进入光路时，出射光线被反射到CCD接收器。
图5：准光镜和物镜
图6：入射出射狭缝旋钮
狭缝宽度：0～2mm连续可调。
图7：接收设备（光电倍增管/CCD）。