大学物理实验课件 实验4.12 单色仪的使用
单色仪
单色仪狭缝宽度的讨论
1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的 点光源）。 2、设狭缝为无限细，由衍射理论可知谱线的半宽度为： 3、当狭缝a逐渐变宽时的变化如下图所示：
w0
w . an
a/an
f
D
f
D
狭缝的最佳宽度
狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系
R
I
1
a/an
由上图可见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，取a=an最好。
三部分—光源和照明系统、分光系统和接收系统
WDP500—C型光栅单色仪光学系统图
单色仪的照明系统
光源：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
光电倍增管
• 利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。光电 倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微 弱信号的检测。 • 优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。 • 缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。 • 使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、 暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。 • 注意事项：（1）负高压500伏（光电倍增管加的电压为负高压） 先开电源再开高压（关时一定要相反）。 （2） 一般在半小时后阳极电流达到稳定（暗电 流）。 （3）输入光信号不可过强，光阴极面不可直接暴 露在光照下（特别是在加了电压的情况下，否则将烧毁光电倍增 管）。 （4）为了尽可能降低噪声在不使用光电倍增管的 时候要挡住入射光。
近代物理实验
实验内容和步骤
（一）单色仪的调节和波长示值准确度的标定 1．利用水平仪调平单色仪。 2．调节光源系统，使光源和会聚透镜与单色仪的光学系统 共轴。调节共轴的目 的是使入射光能照明整个光栅，以便 有尽量多的光从出射狭缝射出。 3.检测单色仪的波长示值的准确度。 （用汞灯作为光源，以获得标准波长值。） 单色仪在出厂前以及在使用过程中，需要对它的主要技术 指标如分辩率、波长示值准确度等进行标定。本实验不要求 对单色仪的各项指标都进行标定，仅要求对它的波长示值进 行标定。
大学物理实验---单色仪的定标和光谱测量.docx
实验题目：单色仪的定标和光谱测量实验目的：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下图所示，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、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©（见图）时，光栅的闪耀角为a取一级衍射项时，对于入射角为©而衍射角为e时，光栅方程式为：d(sin H sin 0)=入式中N 为光栅的总线数，在本实验中 N 为64 *200=76800, m 为所用的光的衍射级次，本实验中m 二雹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。
实验数据及数据处理：（数据以文本文档中为准）■ ■ » 11、 光栅单色仪的定标 ----- 钠灯光谱与标准值之间误差：？？= --------------- =0.00%入Nd cos=d 9 = m d 入 d cos 9R= d x =mNFigure 1钠灯光谱主线系峰值数据： 1、589.0002、589.625实验报告589 .0BY 王有识页3实验报告?? =0.004%-|589 .625-589 .6|Figure 2钠灯光谱锐线系峰值数据： 1 、615.413 2 、616.050 与标准值之间误差：？？=--------------- =0.002%1615 413-615 .4|?? —6154---------- =0.008%1616.050-616 ,0|2 = 616.0Figure 3钠灯光谱漫线系1页4 BY王有识?? = ------------------ =0.006%1497.812-497 .78|?? 49778 =0.01%|498 .250-498 .2| 2=498.22、 低压汞灯光谱测量峰值数据：1、568.250 、568.825与标准值之间误差:??= =0.009%1568 .250-568 .3|与标准值之间误差:??568・3 ------ =0.006% |568 .7-568 .86|22=568 .86Figure 4钠灯光谱漫线系2峰值数据：1、497.812 2 、498.250实验报告Figure 5低压汞灯黄光强峰值数据：1、576.925 2 、579.050与标准值之间误差：??= =0.006%1576 .925-576 .96|?? 576・96------- =0.003%|579 .050-579 ,07|2二579.07Figure 6低压汞灯蓝绿光强峰值数据：1、491.637 与标准值之间误差：？？二 ------------- =0.008%|491 .637-491 .60|峰值数据： 1 、585.925ure 7低压汞灯2黄光589.000与标准值之间误差：??==0.0009%1585 .925-585 .92| ?? —585.92 =0.003%1589 .000 -589 .021本组实验由于测蓝绿光的弱光谱，而实验环境中并不是完全黑暗,难免会有光对实验产生干扰， 所以实验所得的图像很不理想， 但是还 是可以分辨出波峰。
单色仪(北京科技大学物理实验报告)
北京科技大学实验报告单色仪实验目的：(1)了解单色仪的结构原理，学会使用平面光栅单色仪。
(2)测量平面光栅单色仪的分辨本领。
(3)利用单色仪测量干涉滤光片的光谱透射率曲线。
实验仪器：平面光栅单色仪、汞灯、钨灯、聚光灯、测试仪、光电倍增管、干涉滤光片等。
实验原理：1.平面光栅单色仪的结构原理光学系统主要由以下三部分组成：（1）入射准直部分由入射狭缝S1和抛物凹面镜M1组成，用以产生适用于光栅衍射的平行光束。
（2）色散系统平面光栅G构成色散系统，达到分光以后产生各种波长单色光的要求。
（3）出射聚焦系统由抛物凹面反射镜M1、平面反射镜M2和狭缝S2组成。
由光栅色散系统产生的单色光经由M1和M2反射作用后会聚至出射狭缝S2，产生窄光束的单色光。
2. 单色仪主机电路仪器主机内主要是步进电动机信号发生器电路，用来控制步进电动机的转动。
3.光电倍增管及测光仪广电倍增管是把微弱的输入光转换成电子，并使电子数获得倍增的电真空器件。
当光信号强度发生变化时，阴极发射出的光电子数发生相应的变化，由于各倍增极因子基本保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化。
4.滤光片滤光片对不同波长的投射能力不一样。
当波长为λ，光强I0(λ)的单色光垂入射在滤光片上时，透过滤光片的光强若为I T(λ)，我们定义其光谱透射率为若以白光为光源，出舍得单色光所产生的光电流与入射光光强、单色仪的光谱透射率和光电器件的光谱响应率成正比，即：现将光谱投射仪为的滤光片插入光路，放置在入射狭缝之前，在光电流变为：所以：实验内容与测量：1．分辨能力的测量：分辨能力的测量只涉及汞灯的两条黄谱线，因此，应该从两谱线的外侧开始扫描，途径两谱线的峰值，终止与另一谱线的外侧外侧。
2．测量滤光片的透射率：不加滤光片，开启扫描开关，从280nm开始正向自动扫描，至660nm止，观察光强的最大值在哪一波长附近，大小如何。
如果光强值不符合要求，扫描至光强最大值的附近，进行适当的调节，是的最大光强接近100。
单色仪
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。
单色仪的使用
数据处理：
汞灯原始数据记录表格：
钨灯数据如下：
分析讨论与结论：
目前的分光系统主要有三类， 分别是棱镜分光系统、此次实验中所用到的光栅分 光系统以及滤光片分光系统； 最常用的便是光栅分光系统。对于棱镜分光系统而 言，棱镜的分辨率随波长变化而变化，在短波部分分辨率较大，但棱镜分光具有 “非匀排性”，色谱的光谱为“非匀排光谱”。这是棱镜分光系统最大的不足。 对于滤光片分光系统，优点是采用这种分光系统的仪器体积小，可以作为专用的 便携仪器； 制造成本低， 适于大面积推广。 但该系统的缺点是单色光的谱带较宽， 波长分辨率差；对温湿度较为敏感；得不到连续光谱；不能对谱图进行预处理， 得到的信息量少。故以此系统为原理所制成的仪器只能作为较低档的专用仪器。 而对于光栅分光系统而言，它除具有分光作用外，也具有聚焦作用，因此分光系 统中不需要会聚透镜等光学部件，光能损失小,节省费用。在试验中，由于光学 系统的像差和调整误差，以及周围所存在的杂散光（环境灯光）的影响，给实验 的结果会带来误差，它会使实验的进光量增大，从而在测定分辨率时使得 b 值 偏小，进而使测得的数据偏小，可在公式中给予适当的修正。实验中扫描的速度 不宜太快，应当等到读数稳定之后再记录数据。 结论： 通过本次实验， 了解了单色仪的构造原理， 并学会了使用平面光栅单色仪； 利用单色仪测出汞灯光强与波长的关系并进一步计算得出所用单色仪的分辨能 力为 0.42nm； 利用单色仪测定了干涉滤光片的光谱透射率， 描绘出相关的曲线， 并求出滤光片的中心波长为 404nm， 峰值透射率为 83%， 通带半宽度为 103nm。
经单色仪后而出射的单色光由光电倍增管接收并转化成电流， 相应的光强值由测 光仪显示，且有公式： T λ = ������������ ������ ������ ������ (������) = ������0 (������) ������0 (������)
单色仪的定标和光谱测量
方案 高速，USB2.0接口，即插即用接口，无需PCI卡，16-bit动态
域，2MHz读出速度，无需PCI卡 单层光输入窗口玻璃，最小的光损耗 特制CCD芯片及UV镀膜，具有高灵敏度及分辨率 双放大器结构和独立的增益设定。无可比拟的多功能性 触发及快门控制，先进(xiānjìn)的操作尽在您的掌握
m=1, N=64mm1200/mm=76800
精品资料
闪耀(shǎnyào)光栅的原理
n为刻槽面法线方向
为光线的入射角
N为光栅面法线方向
为光线的衍射角
N
b 光栅的闪耀角
n -b
角度的符号规定（顺 时针为正）
-
b
精品资料
入射角与闪耀波长(bōcháng)的关
系
n ,m , .
光强曲线(qūxiàn)
精品资料
单色仪狭缝(xiá fénɡ)宽度的讨论
1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源）。 2、设狭缝为无限细，由衍射(yǎnshè)理论可知谱线的半宽度为： 3、当狭缝a逐渐变宽时的变化如下图所示：
f = 500 mm
w0
w
.
f
D
f
an D
a/an
精品资料
(jǔxíng)
单色仪的分光(fēn ɡuānɡ)系统—光 栅
矩 形
光 栅
凹 面 平 场 光 栅
精品资料
入射光垂直(chuízhí)矩形光栅时衍射光强的分布公式：
II0(si n)2(sN in siN n)2
单缝衍射因子(yīnzǐ) 干涉 因子(yīnzǐ)
单色仪说明
钠原子的光谱
• 光谱公式（里德堡常数R） • 主线系
589.0nm/589.6nm • 锐线系
616.0nm/615.4nm
• 漫线系 568.3nm/568.86nm 497.78nm/498.2nm
RR ( s) ( p)
R
R
( p) ( s)
R
R
(n ,)
( p) (n d)
s . p . d .
a为光栅透光部分的宽度，N为光栅的总周期数
d为光栅的周期，为衍射角
单色光的光栅光强分布的曲线
透光缝宽:a=0.01mm 光栅周期:d=0.02mm 光栅的总条数:N=4
透光缝宽:a=0.01mm 光栅周期:d=0.03mm 光栅的总条数:N=100
光栅方程式
描述各个干涉因子主极大的位置
d为光栅周期，为入射角，为衍射角，m为衍 射级次，为光的波长。
单色仪的调整和使用
单色仪的用途 光谱学发展史 单色仪的结构和原理 闪耀光栅的工作原理 单色仪的入射和出射狭缝 钠原子的量子亏损和里德堡常数
单色仪的用途
• 从复色光源中提取单色光 • 测量复色光源的光谱：
研究目的—物质的辐射特性，光与物质的相 互作用，物质的结构（原子分子能级结构）， 遥远星体的温度、质量、运动速度和方向。
b 光栅的闪耀角
角度的符号规定（顺 时针为正）
入射角与闪耀波长的关系
b nm, ,b .
几何光学的方向能量最大： b (b ) b
m=1
一级闪耀波长为
b
d(sin
sin( b
)
d=1/1200mm
5o， 10 o, 30o
b 587， 600.5， 606.3 (nm)
单色仪的调节和使用
单色仪的调节和使用院系：07023 姓名：王曦泽学号：PB07210077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图1 光栅单色仪的分光系统光栅单色仪的分光系统如图1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。
当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。
当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为φ（见图2）时，光栅的闪耀角为θb （光栅面和光栅刻槽面的夹角，因此也是刻槽面法线和光栅面法线N 和n 之间的夹角）。
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(sin φ＋sin θ)= λ因此当光栅位于某一个角度时（φ、θ一定），波长λ与d 成正比，角度的符号规定由法线方向向光线方向旋转顺时针为正，逆时针为负。
几何光学的方向为闪耀方向，所以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，)(b b θθθφ---=-，所以有，φθθ-=b 2，光栅方程式改为，λφθφ=-+))2sin((sin b d本次实验所用光栅，为每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm —1000nm, 刻划尺寸为64⨯64mm 2。
当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm 。
由于此时入射角φ＝0，求得 58.21=b θ，再代入光栅方程式可以求得当入射角改变时实现不同波长光的闪耀，如 30,10,5=φ时，λ＝587nm ，600.5nm ，606.3 nm 。
3 狭缝是单色仪的关键部件，它的宽度范围是0—3mm ，每格为0.005mm仪器不工作时狭缝开启宽度应放在最小的位置。
在调节狭缝宽度时切记不要用力过猛和过快，要仔细缓慢的调到所要求的值。
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实验4.12 单色仪的使用
物理系：张师平
北京科技大学物理系张师平
引言
•单色仪是一种常用的分光仪器，适用于单色光的产生、光谱分析和光谱特性测量等方面。
单色仪有多种，从不同的角度对它有不同的分类，如按物镜的形式可以分为透射式单色仪和反射式单色仪，按色散元件来分可以分为棱镜单色仪和光栅单色仪。
•本实验中所使用的单色仪为光栅单色仪。
北京科技大学物理系张师平
实验目的
1.了解单色仪的结构原理，学会使用光栅单色仪。
2.测定光栅单色仪的分辨能力。
3.利用单色仪测定干涉滤光片的光谱透射率曲线。
北京科技大学物理系张师平
•平面光栅单色仪、汞灯、钨灯、（聚光镜）、光电倍增管、干涉滤光片等
测光仪钨灯汞灯聚光镜主机
北京科技大学物理系张师平
光电倍增管
•是把微弱的输入光转换成电子，并使电子数获得倍增的电真空器件。
当光信号发生变化时，阴极发射出的光电子数发生相应的变化，由于各个倍增极因子基本保持常数，所以阳极电流会随光信号的变化而变化。
北京科技大学物理系张师平
光谱
•单原子气体或金属蒸气所发的光波均有线状光谱，故线状光谱又称原子光谱。
当原子能量从较高能
级向较低能级跃迁时，就辐射出波长单一的光波。
•严格说来这种波长单一的单色光是不存在的，由
于能级本身有一定宽度（自然展宽）和多普勒效
应等原因，原子所辐射的光谱线总会有一定宽度。
北京科技大学物理系张师平
汞灯光谱
北京科技大学物理系张师平
北京科技大学物理系张师平
北京科技大学物理系张师平
汞灯黄线（３）
北京科技大学物理系张师平
滤光片
•光学滤光片－－改变入射光的光谱强度分布或能改变入射的电磁波偏振状态的一种器件。
•光谱强度分布的改变，就波长而言，可以是选择性的或是非选择性的。
北京科技大学物理系张师平
•根据滤光片的光谱特性分类，一般可分为：
•中性滤光片——对光谱的吸收、反射没有选择性；•渐变介质型滤光片——随波长逐渐变化；
•陡削截止型滤光片——吸收、反射掉光谱的某一端，其余几乎全部透过；
•带通滤光片——只让一定的波段通过。
北京科技大学物理系张师平
测量
1.接通电源，电源指示灯亮。
在钨灯及负高压开关
未打开时，如果压下“高压-光强”键，光强值
应接近0；
2.5-8号仪器调节“高压调节”旋钮使显示值达
500V左右即可，1-4号仪器调节“高压调节”旋
钮使之显示达到300V左右；
3.调节入射、出射狭缝的宽度在0.15－0.20mm之
间。
北京科技大学物理系张师平
分辨能力的测量(汞灯)
两条黄谱线（波长分别为577.0nm和579.1nm）：从575nm开始，自动扫描至585nm，在相距2.1nm左右的
两个位置应该存在光强极大值
确定两峰的位置，光强值合适
手工扫描（老仪器），每隔0.1nm记录一个光强值
北京科技大学物理系张师平
测量滤光片的透射率（钨灯）
•①从280nm（或660nm）开始正向（或反向）自
动扫描，至660nm（或280nm）止，每隔20nm记录一个光强值；
•②加上滤光片，重复步骤①。
•计算出对于钨灯来说滤光片的透射率，做出透射率T与波长的关系曲线。
从图中求出滤光片的中心波长、通带半宽度及峰值透射率。
北京科技大学物理系张师平
注意事项
1.选择合适的光强值：对于汞灯来说，光强值可
适当大些。
2.对于钨灯来说，可适当增大电压的值。
3.对同一内容，不要改变测量条件。
4.不要超出扫描范围。
5.测量完毕，将高压调至最小。
6.1-4号仪器不得将U盘的存储设备插入计算机内。
北京科技大学物理系张师平
数据处理要求
1.要求有原始数据表格
2.处理后的数据表格（原始数据－暗电流）
3.将处理后在坐标纸上会出曲线
4.在曲线上标出所需数据
北京科技大学物理系张师平。