光栅光谱仪的使用实验报告-董芊宇

实验报告

题目: 光栅光谱仪的使用

姓名董芊宇

学院理学院

专业应用物理学

班级2013214103

学号2013212835

班内序号22

2015年9 月

一． 实验目的

1. 了解光栅光谱仪的工作原理。

2. 学会使用光栅光谱仪。

二． 实验原理

1.闪耀光栅

在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（φ=90︒）光栅衍射的一般特性。当入射角φ=90︒时，衍射强度公式为

22

2

sin sin sin I u Nv A u v =

⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

(9.1)

光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝干涉因子共同决定。只不过此时

()sin sin a u π

φθλ=

+ (9.2) ()sin sin d v πφθλ

=+ (9.3)

当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取+号，异侧时取-号，单缝衍射中央主

极大的条件是0u =，即sin sin φθ=-或ϕθ=-。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足0v =，即0级干涉最大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0级最大位置是重合的，光栅衍射强度最大的峰是个波长均不发生散射的0级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。

为了提高信噪比，可以采用锯齿形的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”，与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时，两者0级极大的角度也一样。闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝，衍射条件与锯齿面法线有关。中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法线N ，于是造成衍射极大与0级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数，可以使光栅衍射的某一波长最强峰发生在1级或其他高级干涉极大的位置。 2.非平衡光辐射（发光）

处于激发态上的电子处于非平衡态。它向低能级跃迁时就会发光。设电子跃迁1

E 和0E

，发

射光子的能量为

10hc hv E E E λ

==-=∆ (9.4)

电子受光辐射激发到高能态上导致的发光成为光致发光。光致发光时，电子在不同能级间跃迁常见如下情况。

(1) 电子受光辐射激发，然后以无辐射情况跃迁到低能级。（无发射跃迁释放的能量转化成热能

或其他形式）从现象看，物质净吸收了一个对应波长为

hc

E

λ=

∆

的光子。

(2)电子吸收一个光子跃迁到激发态，再辐射一个同能量的光子回到初始态。

在初态和激发态之间可能存在着中间能级。激发态的电子先无发射跃迁到中间态，再辐射光子跃迁到初始态。从现象看，物质吸收了一个高能量的光子，辐射一个低能量的光子。或者说，短波长的光辐射激发物质发出较长波长的波。

因为原子具有分立的能级，原子光谱是线状的不连续谱。

三．实验仪器

光栅光谱仪。色散元件为闪耀光栅。

四．实验内容

1.启动软件，设置相应的参数，寻找狭缝的零点（钠灯，588-591，间隔0.01nm（或0.02nm此参

数由仪器使用的光栅参数决定2400L/mm或1200L/mm，测量精度高测量范围就小，200-660nm，测量精度减小则测量范围增大，200-800nm），电源控制箱上的负高压调节至约300V，软件中的负高压和增益参数在本实验中都不必调整）

用眼睛光差入射狭缝，调节至约0.2mm然后调节负高压至300V，单击“单程”扫描谱线，然后减小出射狭缝0.1mm，再次扫描谱线，直至谱线刚好消失，此时的缝宽为零。调节出射狭缝为0.2mm，同样的方法找到入射狭缝的零点。

2.研究出射狭缝宽度对谱线（钠双线）的影响（钠灯，588-591nm，间隔0.01nm）。固定入射狭缝

为0.20，逐渐减小出射的狭缝（1.00-0.20nm，间隔0.20mm）。

3.研究入射狭缝宽度对谱线的影响（钠灯，588-591nm，间隔0.01nm）。固定出射狭缝为0.2mm，

改变入射狭缝（1.00-0.20nm，间隔0.20mm），直至入射狭缝为0.20mm。

4.校正光谱仪（入射0.40mm，出射0.20mm，后面的实验中均保持狭缝不变，钠灯，588-591nm，

间隔0.01nm，负高压适当）；扫描结束后，用软件的自动或半自动寻峰功能找到两条谱线，并与理论值比较，如果误差超过1nm，则用软件的修正功能予以修正。

5.测量高压汞灯光谱（200-660nm，间隔0.01nm负高压适当），寻峰，与理论值比较，作测量值-

标准值曲线图，并得出光谱仪的波长修正公式；

6.测量氢原子光谱（200-660nm，间隔0.01nm负高压适当），寻峰，与理论值比较，计算里德伯常

数。

7.用溴钨灯光源测量滤色片的透过率曲线。

五．实验数据及处理

1．出射入射狭缝宽度不同对光谱谱线的影响

（1）入射狭缝为0.2mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm，1.0mm。出射狭缝固定为0.2mm：

（2）出射狭缝为0.2mm ，0.4mm ，0.6mm ，0.8mm ，1.0mm 。入射狭缝固定为0.2mm ：

588

589

590591

-100

01002003004005006007008009001000波长 (nm)

2．用汞灯光谱数据作λλ∆-散点图。

200300400500600

-2

-1

△λ (n m )

λ (nm)

六．实验总结

实验中进行多次测量，了解到了影响光栅光谱仪的各种因素，其中狭缝宽度对光栅光谱仪透过光强的大小影响较大。通过这次实验，基本掌握了光栅光谱仪的基本操作方法，能正确使用仪器能够较为正确的测量基线、吸光度、透过率等物理量。