浙江師範大學實驗報告
實驗名稱光學多道測量光譜班級物理071 姓名駱宇哲學號 07180132
同組人沈宇能實驗日期 09/10/22 室溫氣溫
光學多道測量光譜
摘要：本實驗通過學生自行設計實驗方案來檢測汞燈檢驗儀器定標的準確性和鈉燈氫氘譜線波長。學習oma-ⅲ的使用方法，熟悉和掌握它的各項功能，如資料採集、波長定標等。
關鍵詞： 多通道檢測定標光譜波長
引言： 光譜分析是研究物質微觀結構的重要方法，它廣泛應用於化學分析、醫藥、生物、地質、冶金和考古等部門．常見的光譜有吸收光譜、發射光譜和散射光譜．涉及的波段從x射線、紫外光、可見光、紅外光到微波和射頻波段。光譜分析檢測技術和光譜儀以其高靈敏、高分辨、高速度、可遙測、無汙染、干擾小等一系列優點，已成為各種理、化、生物、環境資訊的最佳獲取手段，可為各個領域提供巨集觀或微觀資訊，成為資訊時代的科技尖兵。
oma是近十幾年出現的採用光子探測器（ccd）和計算機控制的新型光譜分析儀器，它集資訊採集、處理、儲存諸功能於一體。由於oma不再使用感光乳膠，避免和省去了暗室處理以及之後的一系列繁瑣處理、測量工作，使傳統的光譜技術發生了根本的改變，大大改善了工作條件，提高了工作效率；使用oma分析光譜，測量準確迅速、方便，且靈敏度高、響應時間快、光譜解析度高，測量結果可立即從顯示屏上讀出或由印表機、繪圖儀輸出。目前，它已被廣泛使用於幾乎所有的光譜測量、分析及研究工作中，特別適應於對微弱訊號、瞬變訊號的檢測
正文：1、 實驗原理
平行光束入射到平面光柵g（光柵平面的方位可由精密機械調節）時，將發生衍射。衍射時，遵循光柵方程：
dsinθ=kλ k=0,±1,±21）
式中d是光柵常數，λ是入射光波長，k是衍射級次，θ為衍射角。由光柵方程可知，當光柵常數d一定時，不同波長的同一級主最大，除零級外均不重合，並且按波長的大小，自零級開始向左右兩側，由短波向長波散開。每一波長的主最大，在光柵的衍射圖樣中都是很細、銳的亮線。
由dsinθ=kλ可知，級次間距對應的，當角度較小的時候，角度間隔最小，當角度增加時，角度間隔增加。所以光譜排列並非按角度線性分布。我們在測量未知波長時是同過已知的兩個或多個波長。
當角度較小時，我們可以簡化為線性，可以採用線性定標。更進一步可以從級數展開的角度採用2次、3次、或4次定標。定標完畢後，可以將結果儲存為檔案。
但我們需要明白定標檔案的使用：是指在相同的衍射級次（一般取第1級次），我們採集到已知譜線，對已知譜線定標，將橫座標由ccd的通道轉化為波長；在已定標的波長座標下，採集未知的譜線，直接通過讀取譜線資料、讀取座標資料或尋峰的方式獲取未知譜線的波長。定標和採集未知譜線必須有相同的基礎，那就是起始波長或中心波長。
在本實驗中的起始波長或中心波長是乙個參考資料，是通過轉動光柵到某乙個位置來實現的，但由於是機械轉動，重複性比較差，因此需要定標。
定標也是有誤差的。定標使用譜線位置的遠近，以及採用的是幾次定標，都會影響到資料的準確性。由於ccd的敏感波長為300nm-900nm，由公式dsinθ=kλ可知，得θ取值為10.
4-32.7之間。
2、 實驗裝置
（1）儀器結構
本實驗使用的光學多道縫隙儀由光柵多色儀，ccd接受單元，電子訊號處理單元和計算機組成。實驗裝置如圖1示。
圖1（2）光柵多色儀
圖2是平面光柵堵塞儀的光路圖。通過入射狹縫的光經平面鏡m1反射後，被凹面鏡m2反射為平行光投射到光柵g上。由於光柵的衍射作用，不同波長的光被反射到不同的方向上，再經過凹面物鏡m2反射成像在ccd感光平面所在的焦面上，還可以與選入的評面經m1放射到觀察窗p或出射狹縫上。
圖2（3）ccd光電探測器
ccd可以將光學影象轉換為電學「影象」，即電荷量與各成像點照度大致成正比的電荷空間分布，因此，它可以「瞬時」記錄光訊號的空間分布。當ccd受到光照後，各個ccd單元內貯存的電荷量與它的**量成正比；若給它施加特定時序的脈衝，其內部單元存貯的訊號電荷便能在ccd內作定向傳輸、實現自掃瞄，進而將由光照感生的電荷依次傳送出去。
3、實驗內容
1．定標
定標涉及到以下的問題:
（1）參考波長是否可靠，參考波長就是光譜採集系統顯示的中心波長或起始波長，該引數既然參考波長，一般就是有誤差，不準確，差10nm左右都不會對測量結果帶來影響。如果參考波長相差太遠可以考慮修正波長。
（2）參考波長的修正。參考波長修正的依據是特徵譜線或可見光譜線。定標一般比較關注特徵譜線。
人眼的可見光譜線範圍大致在400nm-700nm之間，如果儀器使用起始波長作為參考，可以將起始波長設定為400nm；如果儀器使用中間波長作為參考，可以將中間波長設定為450nm。然後採集譜線，再通過ccd觀察窗觀察譜線的顏色，看是否是我們所需要的譜線。並注意乙個螢幕的譜線差範圍在150nm左右，如果兩個譜線的距離明顯大於波長之差，則說明觀察到的應該是二級或更高階次的衍射（由於本儀器感光的限制300 nm-900nm，我們最多能夠觀察到2級衍射），因此實際波長大於參考波長，修正波長為負；當觀察不到可見光，則說明實際波長小於參考波長，修正波長為正。
我們一般採用抵壓汞燈的譜線作為標準普線。汞燈的常見譜線顏色。
對波長修正的感官效果是：如果修正波長為-x nm，則我們所觀察到的譜線將向右移動x nm，參考波長的標稱值不變。如果修正波長為x nm，則我們所觀察到的譜線將向左移動x nm，參考波長的標稱值不變。
表1 低壓汞燈可見光區的主要譜線波長
（3）汞的特徵譜線
汞三線（365.02 nm，365.48nm，366.30nm），非可見光，本儀器在第1級次衍射不能夠準確分開，在第2級次（起始波長700nm）可以分開。
404.66nm和407.78nm，是兩條靠得比較近的譜線，與435.84 nm的譜線，可以用在一塊定標。
576.96 nm和579.07nm是兩條靠得很近的黃色譜線，可以與綠色的546.07nm譜線一塊定標。
（4）定標譜線的採集。
定標譜線的採集為了避免其他譜線的干擾，可以考慮採集背景光線，計算機會將實際採集的譜線與背景相減，獲取真實的譜線。
另外可以通過開關電源，觀察譜線的變化來觀察光源的譜線。
譜線採集後，根據已知的譜線進行定標，定標後將譜線儲存，供測量未知譜線使用。為了減少光柵轉動帶來的空回誤差，可以考慮定標完成後，保持光柵的位置不變，採集未知的光譜，然後讀取光譜資料。
（5）定標譜線形狀的銳化。
由於光譜是通過ccd採集的，ccd存在分辨能力和飽和問題。當譜線太弱，可以考慮增加入射光的縫寬，來提高入射光強度，這也可能導致較強光譜的溢位，即譜線頂部變平。因此我們可以通過調節入射光孔的大小，使我們要觀察的譜線比較適中（主要是頂部比較尖銳）。
4、注意事項：
1、 當扳動反射鏡m4使光譜由成像在觀察窗轉換至ccd時，應先蓋上觀察窗。
2、 開始測量槍，轉動光柵後和更改引數設定以後，應先進行背景實時採集。
3、 定標時必須按照道數由小到大採集。
5.實驗資料結果
《上圖為手機發出的光的光譜影象》
《上圖為汞燈發出的光的原子光譜》
《鈉燈發出光的院子光譜--雙黃線》
6.實驗結論
本次試驗關鍵在於定標這一步，在了解定標的準確含義後，以汞燈發出的光標準對實驗儀器進行定標，定標之後的試驗儀便可用來測量其他光的光譜及波長。
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