光栅光谱仪试验讲义

光栅光谱仪实验

浙江大学光电信息工程实验中心

一 实验目的

1、了解光栅的分光原理及主要特性；

2、了解光栅光谱仪的工作原理；

3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法；

二 实验仪器

1、低压汞灯及电源：发光波长404.7nm 、435.8nm 、546.1nm 、577.0nm 、579.0nm ；

2、透镜及固定调节架2个：（焦距f=45mm ，口径38mm ；焦距f=190mm ，口径38mm ）；

3、狭缝及固定调节架1个：0~2mm ；

4、光栅及固定调节架1个：光栅自制；

5、USB 接口摄像头及固定调节架1个；

6、计算机及软件；

三 实验原理

衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，它的记录介质多采用光致抗蚀剂，一般用激光器作光源，可产生每毫米几千条对的空间频率的光栅，并且通过曝光和显影，直接得到浮雕型的正弦透射光栅。相邻刻线的间距d 称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。当平行光入射到一块平面衍射光栅时，让衍射光波经过一透镜，则在透镜焦平面上得到光栅的夫琅和弗衍射图象，见图一。如果光源是平行于光栅刻痕的狭缝光源发出的准单色光，则衍射花样是一些分立的亮线（亮条纹）。

图一 光栅衍射图

亮纹位置满足如下条件——光栅方程式

2,1,0,)sin (sin ±±==±m m i d m λθ (1)

式中，d 为光栅常数，d=a+b ， 在可见光范围内，d 一般在1/1000～1/500mm 之间。m θ为第m 级亮纹对应的衍射角，λ为入射光波长，i 为入射平行光对光栅面的入射角，m 为多缝干涉主极大级数。入射光处于光栅面法线同侧的亮条纹时上式中取正号；异侧时取负号。光栅上的每一条缝的单缝衍射在θ方向上

P 点产生一个光振动，N 条缝在P 点产生的N 个光振动的振幅相同，他们的相干叠加决定了P 点的光强，光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉的总效果。

亮纹（主极大）中心位置满足光栅方程中m ＝0，（θ＝0）时，dsinθ＝0为中央明纹中心。

其他亮纹（主极大）中心位置：

满足多缝干涉的光栅方程：

sin ,

0,1,2m d m m θλ=±= （2） 不满足单缝衍射暗纹条件：

sin ,

1,2,3m a m m θλ''≠±= （3） m ’为单缝衍射暗纹级数。 （2、3）式要同时满足，才会出现主极大

暗条纹位置：

(21)sin ,0,1,2

2m m d m θλ+=±= （4）

sin ,1,2,3m a m m θλ''=±= （5）

（4、5）式只需满足一个便是暗纹。

1．光栅的色散

复色光入射时，除零级外各波长的衍射亮线分开，各色同级亮级分开的程度用光栅的色散来表示。定义： 角色散θλθcos d m d d =（弧度/埃）； 当θ小时，d m d d ≈λ

θ。 线色散 f d d d dl '⋅=λθλ（毫米/埃）。

可见光栅的色散与光波长无关，它仅决定于光栅常数d 和被考察亮线的级次m ，色散是作为分光元件的衍射光栅的重要特性参数。

根据光栅方程，只要测得某光波第m 级亮级的衍射角m θ，并已知光栅常数d 和入射角i ，则可求得该光波波长。

同时，如果测得各色光第m 级亮线的衍射角θ，则可算得各色光的波长差，求得第m 级亮线的角色散。f '为会聚透镜的焦距。

2．光栅的色分辩本领

光栅的色分辩本领用波长λ附近能被分辩的最小波长差λ∆的比值来表示，即：

mN =∆=∆λλ

式中m 是光谱级次，N 是光栅的总刻痕数。

3．光栅的自由光谱范围

光栅光谱中，不发生越级的最大光谱范围称为光栅的自由光谱范围，表示为

m /λλ=∆

可以看出，光栅的色分辩本领正比于刻痕数N 和级次m ，但自由光谱范围反比干涉级次m ，所以光栅使用时应根据需要合理地选择参数。

四．实验装置

光栅光谱实验装置如图二所示，光源发出的光经透镜A 汇聚到狭缝上，狭缝放置在透镜B 的前焦面上，出来的平行光入射到光栅上，通过摄像头自带的透镜成像到光电接收器。

图二 光栅光谱实验装置

五．实验步骤

1． 启动汞灯。观察光源发出连续的光，而不是时断时续即可。

2． 利用现有平台布置光路，放置透镜A （焦距＝45mm ），使得光源发出的光汇聚到狭缝面上，同时要

求狭缝位于光斑的中心位置。

3． 调节狭缝宽度为1mm 。狭缝宽度范围0~2mm 连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小。

每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm ，最大调节宽度为2mm 。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意最大不要超过2mm 。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最好调节到0.1mm~0.5mm 左右。

4． 调节透镜B 位置，使狭缝处于透镜B 的前焦面上，经透镜B 后成为平行光。

5． 调节光栅的位置，观察反射光使其与狭缝重合。

6． 启动计算机，运行计算机桌面上的软件TopSpeed amcap.exe 采集光谱图像。主要操作步骤如下：

1） 调整软件设定（选项/格式/输出大小），使采集光谱图像的分辨率800×600或1024×768；颜色

空间压缩选用YUY2、频率30Hz 。

2） 调整曝光量（选项/属性/相机/曝光）和亮度（选项/属性/颜色/亮度），同时调节摄像头与光栅的

位置，使得光谱图像显示效果最佳。光栅光谱图像如图三所示。

图三光栅光谱图像

3）按计算机PrtSc Sys Req按键，用附件中的画图软件或图像处理软件保存光谱图像（文件选用JPG 格式，保存至桌面/光谱/testimage目录下。）

4）改变狭缝的大小，记录相应的光谱图像。

5）改变光源，观察节能灯、LED的光谱，并记录相应的光谱图像。

六．实验数据处理

1．运行桌面/光谱/pic1软件，读入光谱图像，移动Y方向滑块至适当位置即可得到光谱曲线。

2．系统波长进行校正：利用汞灯的五根谱线的波长值（标准值为404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm）来进行测量系统的波长校准。

3．根据波长校正后的测量系统，测量节能灯和LED的光谱(峰值波长、光谱范围)

七．讨论和思考

1．能否用实验测量值计算衍射一级亮纹的角色散，分辩本领，如何计算？

2．影响系统光谱分辨力的参数有那些？

3．提出你对实验系统的改进建议。

[注意事项]

1．在动手调整之前，务必认真熟悉系统的结构及调整、使用方法，在使用光学元件时，手指不要触及光学元件表面。

2．用衍射光栅测量波长之前应认真调整光栅面与望远镜镜光轴垂直，在使用光栅时，严禁手指触及光栅面。

3．低压汞灯开启后须有10分钟左右的稳定时间才能进行测量。