光栅光谱仪与光谱分析讲稿(20210228141228)

光栅光谱仪与光谱分析

实验目的

1、 进一步掌握光栅的原理

2、 了解光电倍增管和线阵 CCD 及其在光谱测量中的应用

3、 学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本方法

4、 通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴尔末公式的正确性，从而对玻尔理论的实验基 础有具体的了解。力求准确测定氢的里德伯常数，对近代测量达到的精度有一初步了解。

、实验原理

光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段， 现有关于原子结构的知识， 大部分来源于

各种原子光谱的研究。 通过光谱研究，可以得到所研究物质中含有元素的组分和原子内部的 能级结

构及相互作用等方面的信息。 在光谱分析中，用于分光的光谱仪器和检测光的光探测

器对分析结构有着决定性作用 1）光栅光谱仪分光原理与参数

光栅是光栅光谱仪的核心，其分光原理如下： 1. 平面反射光栅的构造与光栅方程

目前最广泛应用的是平面反射光栅， 它是在玻璃基板上镀上铝层， 用特殊刀具刻划出许 多平行而且间距相等的槽面而成， 如图1所示。大量生产的平面反射光栅每毫米的刻槽数目 为600条、1200条、1800条和2400条。铝在近红外区和可见光区的反射系数都较大，而且 几乎是常数，在紫外区的反射系数比金和银都大，加上它比较软，易于刻划，所以通常都用 铝来刻制反射光栅。 我们将看到，在铝层上只要刻划出适当的槽形， 就能把光的能量集中到

某一极，克服透射光栅光谱线强度微弱的缺点。 铝制反射光栅几乎在红外、可见光和紫外区 都能用。用一块刻制好的光栅（称原制光栅或母光栅） 反射光栅在分光仪器中得到越来越多的应用。

在图1中，衍射槽面（宽度为 a ）与光栅 平面的夹角为0，称为光栅的闪耀角。当平行光 束入射到光栅上，由于槽面的衍射及各个槽面衍 射光的叠加，不同方向的衍射光束强度不同。考 虑槽面之间的干涉，当满足光栅方程 时，光强度将出现极大。式中 i 及］分别是入射光及衍射

光与光栅平面法线的夹角（入射角 和衍射角）。d 为光栅常数，m= ± 1,± 2，土 3，…，为干涉级，'是出现极大值的波长。 当入射线与衍射线在法线同侧时，公式取正号，异侧取负号。

由式（1）可知，当入射角i 一定时，不同的波长对应不同的衍射角，因而经光栅衍射 后按不同方向排列成光谱，成像于谱面中心的谱线波长称为中心波长。本仪器采用的光路， 对中心波长'0而言，入射角与衍射角相等， i = 一：（图2）,这种布置方式称为 littrow 型,

因此对中心波长'0有

可以复制出多块光栅。 由于这些优点,

(1)

2d sin i 二 m ，0

从图中可看到，谱面上成像于中心波长 ■

两侧的谱线，衍射角为

i _、：，正负号分别

与右侧及左侧对应，因此相应有

d ||sin i sin i .. = m- ( 3)

对于我们所使用仪器，■ /a 的最大值不超过 5°。。

2. 光栅的闪耀

对于棱镜光谱仪，入射光束经棱镜分光后，某一波长的单色光能量除了被棱镜表面反射 及吸收一部分外，全部集中到某一确定方向，因此光谱比较强。光栅则不同，入射光束中某 一波长的单色光，经光栅衍射后能量分配到各级光谱中， 而能量分配方式又与光栅的型式及

各种几何参数有关。 如前所述，能量的分配是单槽衍射与槽间干涉的综合结果。

光栅方程只 是给出了各级干涉极大的方向，由式（

1）可知，光栅方程中只包含光栅常数

d 而与槽面形

状无关，各干涉的极大的相对强度决定于单槽衍射强度分布曲线。 大家熟知的多缝透射光栅

有很大的缺点，即入射光的能量大部分集中在没有色散的零级光谱上。 而我们往往只利用其

中一级，因此谱线很弱。反射式闪耀光栅的基本出发点在于把单缝衍射的主极强方向从没有 色散的

零级转到某一级有色散的方向上，

以增大该级谱线强度。图1所示的反射光栅，每个

衍射槽面的作用和单缝相同， 可以证明，槽面衍射的主极强方向， 对于槽面来说正好是服从 几何光学反射定律的方向。因此当满足光栅方程（

1）某一波长的某一级衍射方向正好与槽

面衍射主极强方向一致时，从这个方向观察到的光谱特别亮，

就好象看到表面光滑的物体反

射的耀眼的光一样，所以这一方向称为闪耀方向。入射光线、衍射光线与光栅法线、槽面法 线的几何关系如图 3所示。对光栅平面的法线而言，入射角、衍射角分别为 i 及］（图中画 出入射光线与衍射光线在光栅法线同侧情形） 。显然，光栅法线与槽面法线之间的夹角等于 光栅的闪耀角0 ,因此对衍射槽面入射角为

（i - B ）,反射角为（B - B ）。根据上面的分析,

实现闪耀的条件是，（i - 0 ） = （ 0 - P ）。从而有

i + - =2 0

（4）

(2)

光栅法线槽面法线

....... 光栅法线

因此对某一波长而言，，.实现闪耀时i 、：、，除了满足光栅方程 （1）,还必须 的光栅，对于中心波长有 i = 0，代入式（4） ，因此入射光及衍射光均垂直于衍射槽面，如图 按照 littrow 射角i 等于光栅的闪j

=0代入光栅方

寸满足式（4 ）。

孚到i = 0。即入 4所示。把i =1 线与光 1）和式（4）,对波长入而言也就满足中耀条件的但通常 却是把满足式（5）的波长称为闪耀波长。由于 m 可以取m=1, 2, 3射与•，丁因此对一块确定 的光栅（d, 0 一定）仍然有第一级闪耀波长，第二级闪耀波长……等各种值，但习惯上在 说明光栅规格时，闪耀波长通常指的是第一级闪耀波长。 0

图2 littrow 型光路图

足式系