单色仪定标和光谱测量共46页
单色仪定标过程及定标曲线绘制与分析
单色仪定标过程及定标曲线绘制与分析孔德国;解海龙;张红美;罗华平【摘要】采用汞灯与钠灯作为定标光源,以WGD-300型光栅单色仪为对象,讨论了单色仪的定标过程,得出了最佳调整参数；使用MATLAB设计程序对实验数据进行了处理,采用偏最小二乘法拟合得到了定标曲线和曲线解析式,改进了传统实验数据处理方法.【期刊名称】《塔里木大学学报》【年(卷),期】2013(025)001【总页数】6页(P33-38)【关键词】单色仪;定标曲线;MATLAB;拟和【作者】孔德国;解海龙;张红美;罗华平【作者单位】塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300【正文语种】中文【中图分类】TH744.1单色仪是一种常用的分光仪器，通过色散元件的分光作用，把一束复色光分解成不同波长的单色光，是光学和光电子领域从事研究的基础［1－2］，在光谱分析与光谱特性的研究中有着广泛的应用［3］。
按采用色散元件的不同，分为棱镜单色仪和光栅单色仪［4］。
单色仪在出厂时，一般都附有定标曲线的数据和图标供参阅［5］，但经过重新装调后或长时间的使用，其数据会发生改变，带来波长不能精确确定和光谱分辨率降低等问题，这就必须通过波长标定［6］来解决。
因此在科学测量中波长标定是重要且不可或缺的一环。
定标的主要作用是:确定仪器测量系统的输入和输出关系，赋予仪器或测试系统分度值;确定仪器或测量系统的静态特性指标，消除系统误差。
塔里木大学物理实验室的单色仪，由于工程基础系的相关老师课题研究和机械电气化工程学院毕业设计需要，使用率很高，所以每隔一段时间对其定标显得尤为必要，以保证实验数据的准确可靠。
1 仪器和方法1.1 仪器WGD－300 型光栅单色仪透镜(f=150 mm、200 mm 其与仪器孔径比分别为1:7、1:5;f 为透镜焦距)读数显微镜低压汞灯低压钠灯。
单色仪的定标实验报告
单色仪的定标实验报告单色仪的定标实验报告引言：单色仪是一种常用的光学仪器，用于分离出光束中的不同波长的光线。
在实际应用中，单色仪的准确性和精度对于研究光学现象和进行光谱分析非常重要。
本实验旨在通过定标实验，确定单色仪的波长刻度，从而提高其测量的精度和可靠性。
实验装置和原理：本次实验使用的单色仪是基于光栅原理的，其主要组成部分包括光源、光栅、光电二极管和波长选择装置。
光源发出的光经过光栅的衍射作用，被分离成不同波长的光线，然后通过波长选择装置选择特定波长的光线，最后被光电二极管接收并转化为电信号。
实验步骤：1. 准备工作：将单色仪放置在稳定的平台上，确保其与其他光学仪器保持一定的距离，以避免干扰。
打开电源，对单色仪进行预热。
2. 调整光源：根据实验要求选择合适的光源，如汞灯或氢氖激光器。
调整光源的位置和亮度，使其发出稳定的光束。
3. 调整光栅：将光栅安装在单色仪上，并调整其倾斜角度，使得光束通过光栅时能够发生衍射。
同时，调整光栅的位置，使得衍射的光线能够尽可能平行地通过波长选择装置。
4. 定标实验：选择一个已知波长的光源，如氢氖激光器，将其光线通过单色仪，并调整波长选择装置，使得光电二极管接收到该波长的光线。
记录下此时波长选择装置的位置，并标记为该波长的波长刻度。
5. 重复步骤4，使用不同波长的光源进行实验，记录下不同波长对应的波长刻度。
6. 分析数据：根据实验结果，绘制出波长与波长刻度的关系曲线。
可以使用线性回归等方法，拟合出波长刻度的数学表达式。
实验结果与讨论：根据实验数据，我们得到了波长与波长刻度的关系曲线。
通过拟合曲线，我们可以得到单色仪的波长刻度的数学表达式。
在实际应用中，我们可以根据该表达式，通过读取波长刻度，确定光线的波长，从而进行精确的光谱分析。
然而，需要注意的是，单色仪在实际使用中可能存在一定的误差。
这些误差可能来自于光源的不稳定性、光栅的制造误差、波长选择装置的精度等因素。
因此，在进行实际测量时，我们需要对单色仪进行定期的校准和维护，以确保其测量结果的准确性和可靠性。
单色仪的定标和光谱测量
光栅单色仪的定标和光谱测量一、实验目的（1）：了解光栅单色仪的结构以及工作原理并熟练掌握其使用方法；（2）：掌握调节光路准直的基本方法和技巧，利用钠灯等标准光源对单色仪进行定标；（3）：测量红宝石、稀土化合物的吸收和发射光谱，加深对物质发光光谱特性的了解。
（4）：测量滤波片和溶液的吸收曲线，掌握测量其吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
二、实验原理（见预习报告）三、实验仪器光栅光谱仪(单色仪)是一个光谱分析研究的通用设备，其元件主要包括：光栅及反射镜，准光镜和物镜，入射出射狭缝旋钮，信号接收设备(光电倍增管/CCD)，计算机及软件系统，图7给出了典型光栅单色仪的结构图。
光栅光谱仪(单色仪)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，比如激光喇曼/荧光光谱仪。
光栅由计算机软件控制步进电机驱动，可以获得较高的精度。
从图7可知，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。
如果S2出射狭缝位置连接信号接收设备（光电倍增管/CCD ，），则可对出射光谱进行数据采集分析（部分内容请参考《大学物理实验》第二册中的“单色仪的使用和调整” ）。
本实验使用的仪器：WDS-8型组合式多功能光栅光谱仪，焦距f=500 mm.光栅条数：1200 L/mm 。
狭缝宽度在0-2 mm 连续可调，示值精度0.01 mm 。
光电倍增管的测量范围：200-800 nm ；CCD 的测量范围：300-900 nm 。
图7 光栅单色仪的结构和原理四、实验内容(1):光栅单色仪的定标单色仪的定标指的是借助于波长已知的线光谱光源来对单色仪测量的波长进行标定，校正在使用过程中产生的波长位置误差，来保证测量的波长位置的准确性。
单色仪的定标实验中汞光谱两条谱线的补充标定
单色仪的定标实验中汞光谱两条谱线的补充标定翟林华 征 洋 姚关心 金 伟 张洪涛 方 涛(安徽师范大学物理与信息工程学院安徽芜湖241000) 摘 要:讨论了普通物理光学实验有关教材中单色仪定标实验中定标所依据的汞光谱谱线标定问题,通过实验确定了实验可以明显观察到而未能标定的谱线,对原有教材有关内容给出了必要的补充.关键词:单色仪定标;汞光谱;谱线标定Two spectral lines supplemented to the Hg spectrum inthe monochromator scaling experimentZHAI Lin-hua ZHENG Yang YAO Guan-x in JIN WeiZHANG Hong-tao FANG T ao(Department of Physics and Info rmation,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui,241000) Abstract:It is sug gested that tw o easily observable spectr al lines should be supplem ented to the Hg spectrum attached to the monochr omator scaling exper im ent in the lecture book,and their w avelengths have been sug gested based on the measurement and co nsulting the comprehensive Hg spectrumKey words:mo no chromator scaling;H g spectr um;spectral line scaling1 引 言光学实验中的单色仪定标实验是通过学生观察单色仪所给出的能够清晰观察到的汞光谱可见光的若干条较强的标定谱线对单色仪定标的.教材〔1〕列表给出了相关的汞光谱标定谱线以提供实验依据.这些谱线涵盖了汞光谱从紫光到红光的可见光部分,如表1所示.实际上通过单色仪除了可以观察到上述谱线以外,还可以明显观察到其它若干条谱线,除了其中强度较弱的以外,尚有与上述谱线强度相当的,处于重要光谱位置的其它谱线.具体说来,在教材标定的蓝绿色和绿色之间可以观察到波长约在500nm的两条谱线,谱线强度和已标定谱线的强度标准相比,强度应为弱谱线,但强于标定谱线中最弱的谱线,通过单色仪仍然可以明显观察到.由于这两条未标定谱线的存在,而且处于光谱显著的位置上,因而较为准确地标定这两条谱线对于这一实验是十分必要的.2 谱线的测定为了测定汞光谱中上述谱线的波长位置,实验中采用单色仪定标,实验所使用的高压汞灯为待定光源,以铁的发射光谱为标准,采用W-P1型1m光栅摄谱仪和1200痕/mm的透射光栅对中心位置在510nm的铁和汞一级光谱用全色胶片摄谱.摄谱采用的狭缝宽度铁光谱为10 m,汞光谱为20 m.仪器的光谱分辨率为0.8nm/mm.经过调整曝光条件,摄得蓝表1 汞灯主要光谱线波长表颜色波长/nm强度紫色404.66407.78410.81433.92434.75435.84强中弱弱中强蓝绿色491.60496.03(502.65)(504.58)强中弱弱绿色535.41536.51546.07567.59弱弱强弱黄色576.96579.07585.92589.02强强弱弱橙色607.26612.33弱弱红色623.44中深红色671.62690.72708.19中中弱绿光部分谱线如图1所示.图1 汞灯蓝绿光部分谱线照片上方为铁光谱,下方为汞光谱.通过和铁光谱的对比,可以看出,汞光谱较强的一对谱线中的左方第一条谱线波长为491.60nm,第二条波长为496.03nm ,均为表1中已标定谱线.它们左边较弱的两条谱线应为需要补充录入表1的有待确定波长的谱线.事实上这一点可以通过对比照片上的谱线间距和表1看出.待定谱线的波长可以通过对比标准铁光谱的已知谱线波长,采用内插法〔2〕较为准确的确定.图1照片上汞光谱左起第二条谱线在铁光谱波长为5027.3nm 和5022.3nm 的两条谱线之间;左起第一条谱线在波长为5049.9nm 和5041.8nm 的两条谱线之间.通过在阿贝比长仪上分别测定各谱线的相对位置,采用内插法,计算求得两条谱线波长值分别为502.62nm 和504.70nm,考虑到仪器精度和测量中谱线可能的定位误差,通过对比,发现从“光谱线波长表”〔3〕中查得标定的汞光谱谱线波长和教材〔1〕表1中数据基本一致(例外的是“光谱线波长表”〔3〕中没有标出496.03nm 的谱线),因而采用表〔3〕中谱线分别为502.65nm 和504.58nm 的相应波长数据作为参考数值可能更为合理(见表1中括号内数值).3 结 论普通物理单色仪定标实验教材所列出的作为定标依据的汞光谱表中,未能完全列出可以参照对单色仪定标的强度较大的谱线.建议在谱线波长表中补充列入波长分别为502.65nm 和504.58nm 的位于蓝绿色区域的两条谱线,以使教材更加完善.4 参考文献1 杨述武主编.普通物理实验(光学部分).北京:高等教育出版社,1993.98～1042 吴讠永华等.近代物理实验.合肥:安徽教育出版社,1987.73 冶金工业部科技情报产品标准研究所编译.光谱线波长表.北京:中国工业出版社,1971.679(2001-05-30收稿)。
单色仪的定标
单色仪定标曲线的标定是借助于已知线光谱源进行，为了获得较多的点，必须要有一组光源，通常采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及用铜、铁、锌做电极的弧光光源等。
3．将低倍显微镜置于出射狭缝处，对出射狭缝 的刀口调焦，使显微镜视场中观察到的谱线最清晰。为使谱线尽量细锐并有足够的亮度，应使入射缝 尽可能小，出射缝 可适当大些，根据可见光区汞灯主要谱线波长、颜色、相对强度和谱线间距辨认谱线。
4．使显微镜的十字叉丝先对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到谱线中心依次对准叉丝时，分别记录鼓轮读数（ ）和与其对应的谱线波长（ ），重复测量三次，取其平均值。
弱
612．33
弱
红色
623．44
中
深红色
671．62
中
690．72
中
实验注意事项
狭缝是单色仪的精密元件，要特别小心使用，旋转测微螺旋调整缝宽时，动作要慢，切勿使狭缝的二刀口相碰，即不允许使测微螺旋读数为小于零。
思考题
1．如果发现单色仪定标曲线上相对于已知波长 的鼓轮读数 偏离了 ，能否将原定标曲线平移 后继续使用，为什么？
色散棱镜 与平面反射镜 的组合，称为瓦兹渥斯色散系统（Wadsworth）。如图5.7-2所示，棱镜 和平面反射镜 安装在同一转台上一齐转动，转动的轴就是棱镜顶角等分面与底边的交线（通过 ，垂直于图面）。一般地， 上的入射光和经棱镜折射后的单色平行光之ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的夹角 为定值，且有关系式
在瓦兹渥斯色散装置中，由于 的反射面与棱镜顶角等分线相垂直，即 ，所以 ，因此满足最小偏向角的光线通过这种色散装置之后仍平行于原来的入射线，相互之间仅发生一定的平移。这样转动转台，当 角增大时波长短的单色光可以射出；当 角减小时波长长的单色光可以射出。棱镜转动的位置有鼓轮刻度标志，因每一鼓轮刻度都和一定的单色光的波长相对应，因而只要有了单色仪的定标曲线——鼓轮刻度与光谱波长之间的对应曲线（又称色散曲线）就可以从鼓轮读数确定出射光的波长。
单色仪定标实验报告
单⾊仪定标实验报告棱镜单⾊仪的定标【实验⽬的】1、了解单⾊仪的结构，分光原理和使⽤⽅法；2、做出单⾊仪的定标曲线。
【实验仪器】反射式棱镜单⾊仪，⾼压汞灯、读数显微镜、会聚透镜仪器介绍：单⾊仪----能够从复合光源中分解出独⽴的、⾜够狭窄的、波长连续可调的单⾊光的仪器。
按波长来分，有红外单⾊仪、紫外单⾊仪、可见光单⾊仪；按分光元件来分，有光栅单⾊仪和棱镜单⾊仪；在棱镜单⾊仪中按物镜的形式来分，有透射式单⾊仪和反射式单⾊仪。
我们这个实验⽤的是：反射式玻璃棱镜单⾊仪，分光波段在可见光范围内。
反射式玻璃棱镜单⾊仪反射式玻璃棱镜单⾊仪的光学系统由三部分组成：1、⼊射准直系统-----狭缝和凹⾯镜1S 1M ，恰好处在1S 2M 的焦平⾯上。
其作⽤是将进⼊狭缝的光变为平⾏光。
1S 2、⾊散系统----平⾯镜M 和三棱镜P，⼆者作为⼀个整体安装在转台上。
平⾏⼊射的复合光经过平⾯镜M 反射到三棱镜P 上，分解成按波长排列向不同⽅向偏折的单⾊光。
随着棱镜的转动，只有满⾜最⼩偏向⾓条件的⼊射光，才能从出射狭缝射出。
棱镜转了，出射光的波长也就发⽣了变化。
3、出射聚光系统----出射狭缝和聚焦凹⾯镜2S 2M 。
恰好处在2S 2M 的焦平⾯上。
将棱镜P 分解出的不同⽅向的单⾊光中的⼀束（哪⼀束？）汇聚到狭缝上。
2S 单⾊仪的机械部分包括狭缝和读数⿎轮。
狭缝的调节要仔细，不要挤坏。
读数⿎轮与万向接头转动杆及把⼿相连。
转动把⼿，棱镜就转，输出光的波长就在变。
读数⿎轮的数值与棱镜的位置相对应，也就是与出射光的波长相对应。
【实验原理】三⾊仪不是直接⽤波长分度定标⽽是⽤⿎轮读数来表⽰，因在使⽤单⾊仪之前要定标：利⽤已知波长的光谱线标定⿎轮的读数，做出⿎轮读数与波长之间的关系曲线。
这个过程称之为单⾊仪的定标。
单⾊仪的定标要借助于已知波长的线光谱光源来进⾏。
本实验选⽤的光源为⾼压汞灯。
在可见光波段内，⽤读数显微镜可以观察到30多条谱线。
单色仪的定标
缝S1对准凸透镜和汞灯所发出的光线。适
当调节透镜和汞灯的位置，使汞灯发出的
光成像在入射狭缝S1上。
3
S1
2
1
２．观测装置的调整
在出射狭缝S2前放一测微目镜或读数 显微镜，调节测微目镜，直至看清叉丝。 然后调节其物镜，看清出射狭缝S2和狭缝
S2
1 .汞灯 2 .短焦距凸透镜 4 3 .单色仪 4 .测微目镜
４．测量 为了准确测量，我们可以转动鼓轮，将汞灯光谱从红到紫来回多看几遍，并且将 鼓轮的读数范围确定下来。在基本辨认和熟悉全部23条谱线颜色特征以后，调节器观 测装置，把测微目镜的叉丝对准出射缝中央，向一个方向缓慢转动鼓轮，从红到紫， 读出每一条谱线所对应的鼓轮读数，重复读两次，并将数据填入下面的表5—13—1 中。 数据处理
将上面的测量数据在方格坐标纸上作 L − λ 曲线，以 L 以为纵轴， λ 为横轴，将
表格中各点的数据描入直角坐标中，然后将各点用光滑的曲线联接起来，该曲线称定
标曲线。只要在单色仪上测出某谱线所对应的鼓轮读数 LX ，就可以在此曲线上查出波
长λx 。
颜色
表5—13－1汞灯可见光谱线对应鼓轮读数记录表
S2 图5 — 13 — 2
的单色平行光（波长为 λi ）通过棱镜投射到柱面凹面镜M3上，并由其聚焦到出射夹缝
处S2，就得到了一束波长为 λi 的单色光。
３．单色仪的结构与外形 单色仪的全部元件安装在一个钢制的圆筒内或其侧面上。上面用钢盖盖好，以免 空气中的水蒸气侵入和灰尘落入。其中入射狭缝S1和出射狭缝S2装在钢筒的外侧，狭缝
出现。如果光谱线的波长是已知的，分别为 λ1 ， λ2 ห้องสมุดไป่ตู้…， λn ，对应于鼓轮上的读数
大学物理实验---单色仪的定标和光谱测量
G
M2 M1
S2 PMT
S1：入射狭缝 G：闪耀光栅 S2：出射狭缝 M2：反光镜 M1：离轴抛物镜 PMT：光电倍增管
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
������2 =
|497.812−497.78| 497.78 498.2
2、498.250 =0.006% =0.01%
|498.250−498.2|
2、
低压汞灯光谱测量
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BY 王有识
实 验 报 告
Figure 5 低压汞灯 黄光 强
峰值数据：1、576.925 与标准值之间误差：������1 =
λf
D；
= a= W0 0.86 a = n
Hale Waihona Puke λfD 时最佳 （D 为光栅的宽度， f 为等效会聚透
镜的焦距） 3、
单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和 计算？
答：理论分辨本领 R 的 R = λ = mN 计算： dλ m=1， 为光栅的总线条数。 N
m 为干涉级次，
实际分辨本领的测量和计算，原理和操作如下：
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BY 王有识
实 验 报 告
LED 灯能让很小的通过电流几乎全部转化成可见光。 LED 灯具有以下优点： 一、高光效 LED 光效达 50～200 流明/瓦，光谱窄，单色性好，
几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。 二、高节能 具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个 10～
12 瓦的 LED 光源发出的光能与一个 35～150 瓦的白炽灯发出的光能 相当。同样照明效果 LED 比传统光源节能 80%～90%。 三、 光色多 可以选择白色或彩色光， 红色、 黄色、 蓝色、 绿色、