单色仪
单色仪的原理
单色仪的原理
单色仪是一种用于分析光谱的仪器，它能够将复杂的光信号分解成不同波长的单色光，从而帮助人们研究物质的成分和性质。
单色仪的原理主要基于光的色散和检测技术，下面我们将详细介绍单色仪的原理。
首先，单色仪的原理基于光的色散现象。
当白光通过单色仪的光栅或棱镜时，不同波长的光会按照其波长大小被分散成不同的方向。
这种色散现象使得单色仪能够将复杂的光信号分解成不同波长的单色光，为后续的光谱分析提供了基础。
其次，单色仪的原理还涉及到光的检测技术。
分解后的单色光会被接收器接收并转换成电信号，然后经过放大和处理，最终形成光谱图像。
通过对光谱图像的分析，人们可以得知物质的成分和性质，从而实现对物质的分析和检测。
除此之外，单色仪的原理还包括光路的设计和调节。
良好的光路设计能够保证光线的稳定传输和准确分解，而精确的光路调节则能够保证光谱的准确性和可靠性。
总的来说，单色仪的原理主要基于光的色散和检测技术，通过将复杂的光信号分解成单色光，并利用光的特性进行分析和检测，从而实现对物质的研究和应用。
这种原理不仅在科学研究领域有着重要的应用，还在工业生产和环境监测等领域发挥着重要作用。
综上所述，单色仪的原理是基于光的色散和检测技术，通过光路设计和调节，将复杂的光信号分解成单色光，并利用光谱分析技术进行物质的研究和应用。
这种原理的应用不仅在科学研究领域有着重要意义，还在工业生产和环境监测等领域发挥着重要作用。
希望本文能够对读者对单色仪的原理有所了解，并对相关领域的研究和应用有所帮助。
单色仪简介和比较
单色仪简介和比较1666年，牛顿在研究三棱镜时发现，太阳光在通过三棱镜后被分解成了七色光。
1814年，夫琅禾费设计了一套包括棱镜、狭缝和视窗的光学系统并观察了太阳光谱中的吸收谱线。
1860年，克希霍夫和本生为研究金属光谱而设计了较完善的现代光谱仪——这标志着光谱学的诞生。
如今光谱分析已经是研究物理光学的主要分析手段，在科研和生产等方面发挥着极大的作用。
在光谱分析中，无论是对荧光光谱，还是穿透吸收光谱，亦或是拉曼光谱的研究，获得单色光都是不可缺少的手段。
其方法有很多，如单色光源、颜色玻璃和干涉滤光片。
除此之外，单色仪也是一种常见的获得单色光的方法。
单色仪一般通过色散、衍射等方法，将紫外、可见和红外的光谱区里的复合光分解成不同波长的单色光。
按照不同的分类标准，单色仪可以分为很多种。
常用的分类是：光栅单色仪和棱镜单色仪两种。
光栅单色仪按光束入射方式可分为正入射、掠入射和投射单色仪；按光学系统分布可分为罗兰圆和非罗兰圆两种；按衍射光栅面型可分为平面、球面和环面单色仪三种。
一、单色仪的分类简介1、棱镜单色仪棱镜单色仪是晶体单色仪的一种，此类单色仪以晶体作为分光元件。
用作同步辐射X射线波段的分光系统，由于晶体单色仪的衍射面是晶格面，所以对真空环境的要求可以比较低（10-1Pa）。
普通的棱镜单色仪通常由三部分组成，准光镜系统、色散系统和成谱系统。
如上图所示。
①准光镜系统：它是由准直光物镜L1和放在L1焦平面上的狭缝S组成；②色散系统，它是由棱镜P等组成；③成谱系统，它是由物镜L2和其焦平面上的像屏组成。
成谱系统形式的不同，仪器的名称就不同。
若采用的是望远镜来观察光谱，则叫做“棱镜分光镜”；若采用物镜和感光板进行摄谱，则叫做“棱镜摄谱仪”；若用狭缝来分离谱线，就叫做“单色仪”。
棱镜单色仪原理是复色光从狭缝进入，准光镜系统能够将其转变成平行光，然后入射棱镜。
色散系统将来自准光系统的平行光均匀而广泛地照射在棱镜P的折射面A上，经过棱镜的折射后，复平行光就分解成沿不同方向传播的单色光。
单色仪
单 色 仪 的 定 标Prism Monochrometer工作原理从照明系统发出的光束均匀地照亮入射狭缝1S ，1S 位于反射准直镜1M 的焦平面上，通过1S 射入的光束经1M 反射后成为平行光束投向平面反射镜M ，再被反射而进入色散棱镜P 。
如入射光为复色光，则通过棱镜后即按波长分解为不同折射角的单色平行光束，反射物镜2M 将这些单色平行光束汇聚于焦面上构成光谱，位于该焦面的出射狭缝2S 把谱线限制在一个狭窄的区域内，使只对色散棱镜构成最小偏向角的光束能够射出。
色散棱镜与平面反射镜的组合，称为瓦兹渥斯（Wadsworth ）色散系统，转动此系统，即可在出射狭缝2S 后面获得不同波长的单色光束，接收器（本实验用读数显微镜）即放置在出射狭缝的后面。
最小偏向角一束单色平行光，射入三棱镜的AB 面，经折射后由另一面AC 射出。
入射角i ，出射角i '，入射光与出射光的夹角β称为偏向角。
转动三棱镜，当i i '=时，根据折射定律可知，折射角γγ'=，与此相应的入射光和出射光之间的夹角最小，称为最小偏向角mi n β。
A C仪器使用说明1．单色仪的定标：（1）在入射缝前放置汞灯，点亮汞灯以照射入射狭缝1S 。
为了充分利用进入单色仪的光能，光源应放置在入射准直系统1S 和1M 的光轴上。
为此，将如射狭缝和出射狭缝开大，将光源移至1S 前半米以外的位置，从出射狭缝处朝单色仪内观察，可看见光源的清晰像，调节光源的位置，使光源的像正好位于2M 的中央。
减小入射缝宽到50m ，再在光源与入射缝之间加入聚光透镜，移动聚光透镜，使光源成像于狭缝1S 上。
至此，光源调整完毕。
（2）将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝2S 的刀口进行调焦，使显微镜视场中观察到的汞谱线最清晰。
为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝1S 尽可能小，出射缝2S 可适当大些。
转动单色仪鼓轮，根据可见光区汞灯主要谱线的波长和相对强度辨认谱线。
14-单色仪的应用
实验十四 单色仪的应用单色仪是将光源发出的复色光用色散元件把它分解为单色光的仪器，这种仪器可用于各种光谱特性的研究：如测量介质的光谱透射率曲线，光源光谱的光强分布、光电探测元件的光谱响应等等。
在实验室中常用到的单色仪基本有二类，一类是透射式单色仪，如图1所示，这种单色仪的入射光和出射光恒成90°夹角。
成像系统由透镜组成，常用于可见光范围，它的优点是聚光本领强；另一类是反射式单色仪，如图2所示，这种单色仪入射光与出射光夹角为 122，成像系统由反射镜组成，它的优点是使用范围大，只要置换不同的棱镜，使用范围可以从紫外光一直到红外光，本实验所用的正是此类单色仪。
【实验目的】1． 了解单色仪的结构和原理，学会正确使用的方法。
2． 以高压汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区域进行定标。
3． 测定汞灯谱线的光强分布。
【实验原理】反射式棱镜单色仪外形为一圆盘（如图2）它主要有三部分组成：①入射缝1S 和凹面镜1M ，组成了入射系统，以产生平行光；②平面镜2M 和棱镜P 组成色散系统； ③凹面镜3M 和出射缝2S 组成聚光出射系统 ，它将棱镜分出的单色平行光由3M 汇聚在出射缝2S 上。
图中平面镜2M 和棱镜P 所放的位置，对以最小偏向角通过棱镜的平行光束而言，可使入射到2M 的光束与从棱镜出射的光束平行。
这样，以最小偏向角通过棱镜某波长的光，经3M 反射后恰恰成像在出射缝处。
因此，只要1S 和1M 保持不变的情况下，当棱镜P 和反射镜2M 同步转动时，对应于最小偏向角的光的波长也跟着改变，出射缝2S 就有不同波长的单色光射出。
由于光束以最小偏向角通过棱镜，所以光缝单色像的像差最小。
出射的光束单色性好。
而棱镜P 和平面镜2M 的转动机构与仪器下部的转动轴杆鼓轮相连，鼓轮上刻有均匀的分度线，因而出射波长 与鼓轮读数R 相对应。
单色仪出厂时有对应（定标）曲线的数据。
但经过一段时间使用后，定标会有所漂移。
14-单色仪的应用
实验十四 单色仪的应用单色仪是将光源发出的复色光用色散元件把它分解为单色光的仪器，这种仪器可用于各种光谱特性的研究：如测量介质的光谱透射率曲线，光源光谱的光强分布、光电探测元件的光谱响应等等。
在实验室中常用到的单色仪基本有二类，一类是透射式单色仪，如图1所示，这种单色仪的入射光和出射光恒成90°夹角。
成像系统由透镜组成，常用于可见光范围，它的优点是聚光本领强；另一类是反射式单色仪，如图2所示，这种单色仪入射光与出射光夹角为 122，成像系统由反射镜组成，它的优点是使用范围大，只要置换不同的棱镜，使用范围可以从紫外光一直到红外光，本实验所用的正是此类单色仪。
【实验目的】1． 了解单色仪的结构和原理，学会正确使用的方法。
2． 以高压汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区域进行定标。
3． 测定汞灯谱线的光强分布。
【实验原理】反射式棱镜单色仪外形为一圆盘（如图2）它主要有三部分组成：①入射缝1S 和凹面镜1M ，组成了入射系统，以产生平行光；②平面镜2M 和棱镜P 组成色散系统； ③凹面镜3M 和出射缝2S 组成聚光出射系统 ，它将棱镜分出的单色平行光由3M 汇聚在出射缝2S 上。
图中平面镜2M 和棱镜P 所放的位置，对以最小偏向角通过棱镜的平行光束而言，可使入射到2M 的光束与从棱镜出射的光束平行。
这样，以最小偏向角通过棱镜某波长的光，经3M 反射后恰恰成像在出射缝处。
因此，只要1S 和1M 保持不变的情况下，当棱镜P 和反射镜2M 同步转动时，对应于最小偏向角的光的波长也跟着改变，出射缝2S 就有不同波长的单色光射出。
由于光束以最小偏向角通过棱镜，所以光缝单色像的像差最小。
出射的光束单色性好。
而棱镜P 和平面镜2M 的转动机构与仪器下部的转动轴杆鼓轮相连，鼓轮上刻有均匀的分度线，因而出射波长 与鼓轮读数R 相对应。
单色仪出厂时有对应（定标）曲线的数据。
但经过一段时间使用后，定标会有所漂移。
单色仪的定标
数据处理
∴以光谱线波长λ为横坐标, 滚轮读数L 为纵坐标画曲线, 即能得到单色仪的定标曲线
单色仪的定标和分光计的应用
实验要求: 如何用分光计和三棱镜来实现单色仪的全部功能。
设计具体操作步骤, 例如三棱镜应该如何摆放。
写出操作指南, 别人按照指南可重复你的结果, 同时利用定标后的分光计可测量任意光源的波长（要求: 当仪器调好, 用望远镜观察时, 除了水平转动远镜外, 不可以进行其它调节）
三棱镜摆放：在调节好平台和望远镜后, 将三棱镜放上小平台。
在望远镜中观察到光线后, 将光线向右调节, 找到第一条黄线的最小偏向角, 在这个临界位置开始读数。
实验数据记录
转化为小数后计算其根据该公式计算其夹角
所以根据其波长和角度进行定标
()()()
1211
22ϕϕϕϕϕϕϕII I II I ⎡⎤
''=+=-+-⎢⎥⎣
⎦。
单色仪定标实验报告
单色仪定标实验报告实验目的，通过单色仪定标实验，掌握单色仪的使用方法，了解光的色散规律，掌握用单色仪测定光的波长的方法。
实验仪器，单色仪、汞灯、钠灯、氢灯、汞镁灯、透射光栅、测微目镜、波长计。
实验原理，单色仪是一种用来分离和测定光谱的仪器。
当白光通过单色仪时，不同波长的光被分散成不同的角度，形成光谱。
利用透射光栅，可以将光谱中的各个波长分离开来，然后用测微目镜和波长计来测定各个波长的位置，从而得到光的波长。
实验步骤：1. 调整单色仪，将单色仪放在实验台上，调整仪器使得入射光垂直射入单色仪的入射口，并使得出射光垂直射向透射光栅。
2. 测定汞灯谱线，打开汞灯，调整单色仪使得汞灯的光谱线通过透射光栅，用测微目镜和波长计测定各个谱线的波长。
3. 测定钠灯谱线，同样的方法，测定钠灯的光谱线的波长。
4. 测定氢灯谱线，同样的方法，测定氢灯的光谱线的波长。
5. 测定汞镁灯谱线，同样的方法，测定汞镁灯的光谱线的波长。
实验结果：汞灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 450 波长 579.1nm。
谱线2，位置 550 波长 576.9nm。
谱线4，位置 750 波长 491.6nm。
谱线5，位置 850 波长 435.8nm。
钠灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 460 波长 590.0nm。
谱线2，位置 560 波长 589.4nm。
谱线3，位置 660 波长 588.9nm。
谱线4，位置 760 波长 587.1nm。
谱线5，位置 860 波长 589.6nm。
氢灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 470 波长 656.3nm。
谱线2，位置 570 波长 486.1nm。
谱线3，位置 670 波长 434.0nm。
谱线4，位置 770 波长 410.1nm。
谱线5，位置 870 波长 397.0nm。
汞镁灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 480 波长 435.8nm。
谱线2，位置 580 波长 404.7nm。
谱线3，位置 680 波长 365.0nm。
光谱仪、单色仪大全
器
型号
MonoRa-150i
MonoRa-200i
MonoRa-300i
MonoRa-500i
MonoRa-750i
焦距
150mm
200mm
300mm
500mm
750mm
分辨率(1)
0.2nm
0.18nm
0.09nm
0.05nm
0.025nm
光
光路设计
Czerny-Turner
Czerny-Turner
200-1100nm；
800-1700nm； 800-1900nm；
1um-5um
0.8-2.9um；
2-5um； 2-10.6um；
试 仪
400-1100nm；
300-1100nm；
800-2200nm； 800-2500nm
0.8-3.2um
2-12um； 2-26um；
器
常温或 TE2 制冷型可
号
焦距
160mm
200mm
300mm
处 理
分辨率
0.8nm
0.3nm
0.15nm
光谱范围
185-780nm
185-800nm
185-800nm
太
（根据光栅选择波段， （根据光栅选择波段， （根据光栅选择波段，
阳
最远可到 3000nm）
最远可到 3000nm）
最远可到 3000nm）
能
电
色散
9nm/mm
光
谱 仪
五、MonoRa 系列单色仪/影像光谱仪 Momochromator & Imaging Spectrograph
器
MonoRa 单色仪/影像光谱仪 Monochromator&Imaging Spectrograph
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单色仪的定标及应用
单色仪是一种常用的分光仪器，利用色散元件把复色光分解为准单色光，能输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光，可用于各种光谱分析和光谱特性的研究，如测量介质的光谱透射率曲线、光源的光谱能量分布、光电探测器的光谱响应等，应用相当广泛。
【实验目的】
1．了解棱镜单色仪的构造、原理和使用方法；
2．以汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区进行定标；
3．掌握用单色仪测定滤光片中心波长的方法。
4. 学会测量发光二极管的波长。
【实验仪器】
小型光栅单色仪，汞灯，卤素灯，显微镜，滤光片，会聚透镜，透镜夹发光二极管
【实验原理】
单色仪是一种分光仪器，它通过色散元件的分光作用，把复色光分解成它的单色组成。
根据采用色散元件的不同，可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类，其应用的光谱区很广，从紫外、可见、近红外一直到远红外。
对不同的光谱区域，一般需换用不同的棱镜或光栅。
平面光栅单色仪的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦面上。
光经过M1平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到M1，经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上。
由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。
当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。
这种光学系统称为李特洛式光学系统，见图1所示。
图1光学系统图
一般光源所辐射的光往往是由各种波长的光组成。
如果各种波长是连续变化的，那么
这类光源称为连续光源。
由于光源的光谱分布与光的物质特性有关，因此测定光源的光谱分布是研究物质内部微观结构的重要工具之一。
单色仪的基本特性是其单色性和出射单色光的强度，实验中，一般总是希望出射的单色光的光谱宽度尽量窄（即单色性尽量好）和单色光的强度尽量高。
除了平面光栅的色散率的大小外，单色仪出射光的光谱宽度的宽窄主要由缝宽，衍射和像差等因素决定，其中像差在设计调整时已尽量减小。
在正常情况下，对单色仪来说，主要是解决缝宽和色差问题。
缝宽的选择，一方面使缝宽尽可能窄，使相邻两波尽可能分开，另一方面，缝的宽度又不能太小，否则出射的单色光的强度变得太小，而无法探测到。
一般要求出射狭缝宽等于入射缝宽，本仪器出入狭缝均为两档，狭缝分别为0.15mm、0.3mm 输出的单色光谱波长，从波长鼓轮直接读取，至于缝宽究竟选择多少，则要根据光强的强弱和接收器的灵敏度来决定。
实验一单色仪的定标
单色仪出厂时，一般都附有定标曲线的数据或图表供查阅，但经过长期使用或重新装调后，数据会发生变化，需重新定标，以对原数据进行修正。
单色仪的定标是借助于波长已知的线光谱以获取对应的鼓轮读数。
为了获得较多的点，必须有一组光源。
通常采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及用铜、锌、铁做电极的弧光光源等。
本实验选用汞灯作为已知线光谱的光源，在可见光区域（400nm—760nm）进行定标。
在可见光波段，汞灯主要谱线的相对强度和波长如图2及表1所示。
表1 汞灯主要谱线波长表
颜色波长／nm 强度
紫色 *404.66
407.78
410.81
433.92
434.75
*435.84
强
中
弱
弱
中
强
蓝绿色 *491.60
496.03
496.03 强中中
绿色 535.41
536.51
*546.07
567.59
弱
弱
强
弱
黄色 *576.96
579.07
585.92
589.02
强
强
弱
弱
橙色 607.26
612.33 弱弱
红色 623.44 中
深红色 671.62
690.72
708.19
中
中
弱
【实验内容】
1．观察入射狭缝和出射狭缝的结构，了解缝宽的调节、读数以及狭缝使用时的注意事项，选取适当的缝宽以获取足够的强度及较好的单色性。
2．在入射狭缝前放置汞灯，为了充分利用进入单色仪的光能，光源应放置在入射准直系统（S1和M1）的光轴上。
再在光源与入射缝之间加入聚光透镜，适当选择透镜的焦距和口径，使其相对口径与仪器的相对口径匹配。
这样，可获得最大亮度的出射谱线，同时又减少了仪器内部的杂散光。
调节聚光透镜的位置，使出射狭缝呈现的谱线最明亮。
3．将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝进行调焦，使显微镜视场中观察到的汞谱线最清晰。
为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝S1尽可能小，出射狭缝可适当大些。
根据可见光区汞灯主要谱线的波长、颜色、相对强度和谱线间距辨认谱线。
并选表1中打“*”者为定标谱线。
4．使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到各谱线中心
依次对准显微镜的叉丝时，分别记下鼓轮读数（L）与其所对应的波长（λ）。
为了避免回程差，应采用从紫光到红光（或相反）的过程，重复测量几次，取其平均值。
5．以光谱线波长（λ）为横坐标，鼓轮读数（L）为纵坐标画曲线，即能得到单色仪的定标曲线。
实验二用单色仪测定滤光片的中心波长
卤素灯所产生的光谱为连续光谱，我们可以用小型单色仪很容易的测出它的波长分布。
在有些情况下我们需要各种波长的光线来完成某些特定工作和研究。
干涉滤光片可以帮助解决这一问题。
干涉滤光片是利用干涉原理只使特定光谱范围的光通过的光学薄膜。
通常由多层薄膜构成。
干涉滤光片种类繁多，用途不一，常见干涉滤光片分截止滤光片和带通滤光片两类。
截止滤光片能把光谱范围分成两个区，一个区中的光不能通过(截止区)，而另一区中的光能充分通过（通带区）。
典型的截止滤光片有低通滤光片（只允许长波光通过）和高通滤光片（只允许短波光通过），它们均为多层介质膜，具有由高折射率层和低折射率层交替构成的周期性结构。
【实验内容】
1．观察入射狭缝和出射狭缝的结构，了解缝宽的调节、读数以及狭缝使用时的注意事项，选取适当的缝宽以获取足够的强度及较好的单色性。
2．将入射狭缝前的卤素灯灯打开，将亮度调到最大，使出射狭缝呈现的谱线最明亮。
3．将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝进行调焦，使显微镜视场中观察到谱线最清晰。
为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝S1尽可能小，出射狭缝可适当大些。
4．使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到各谱线中心依次对准显微镜的叉丝时，分别记下鼓轮读数（L）的初始位置和结束位置与其所对应的波
长（ ）。
5.将干涉滤光片放在单色仪前面，用单色仪测量中心波长。
思考题
1.为什么要对单色仪定标？怎样进行定标？
2.滤光片的作用是什么？你了解和做过的物理实验那个用到滤光片了？具体作用？
3.如何测量发光二极管的光谱特性？。