使用光譜多道測量光譜實驗報告
【摘要】
本實驗介紹了ccd和光學多道分析器的工作原理，闡述了光學多道分析儀的使用方法以及利用其測量光波波長的過程，並進行總結和思考。
【關鍵字】
光學多道分析儀 ccd 波長
【引言】
光譜技術自提出以來，先後經歷了攝譜儀、單色儀等。攝譜儀是利用照相方法來記錄譜線，而單色儀是劉永光電倍增管等光電探測器接收從其出射狹縫透過的光能量。但是，攝譜儀不能實現光能量的實時觀測，而且沖印難度較大；後者只能記錄出射狹縫的光強。
光學多道分析儀是最新的測量光譜的綜合儀器，他利用ccd成像對光譜進行採集，再用計算機進行處理，可以實現對光譜的實時觀測。傳統的攝譜儀、單色儀等光譜儀已逐漸被光學多道分析儀所取代。
【正文】
一、 實驗原理
光學多通道分析儀簡稱oma，是一種採用多通道方法快速檢測和顯示微弱光譜訊號的電子光學儀器。
光學多通道分析儀原理為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，衍射時有光柵方程：
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、很銳的亮線。
由dsinθ=kλ可知，級次間距對應，當角度θ較小的時，角度間隔θ最小，當角度θ增加時，角度間隔θ增加。所以光譜排列並非按角度θ線性分布。當角度θ較小時可以簡化為線性，即可採用線性定標，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，在本實驗中，我們採用線性定標。
oma系統的優點是：測量時間短；可以在很大的時間範圍內做動態過程的時間分析辨譜；不存在波長不完全重複的誤差；改善訊雜比；有很大的儲存量。
oma系統的主要應用有：**中心、燃燒過程等的瞬變過程的光譜研究；地對空、空對地、地對地等遠距離的弱光光譜的研究；實時監控系統等。
二、 實驗儀器
光學多通道分析儀
wgd-6型光學多通道分析器由光柵單色儀、ccd接收單元、掃瞄系統、電子放大器、a/d採集單元及計算機組成（結構見下圖）。它集光學、精密機械、電子學、計算機技術於一體，可用於分析300nm－900nm範圍內的光譜。
wgd-6型光學多通道分析器原理圖
三、 實驗步驟與資料處理
（1）擺放好hg燈，使光源聚集在多色儀的縫上，適當調節狹縫的寬度，但是必須使縫寬在0.2～2mm的範圍內，不可超過2mm以免損壞儀器。
（2）開啟ccd的電源，再開啟計算機及計算機上相應的光學多道分析軟體。考慮到背景光線的影響，按下背景清除按鍵，清除原先記錄的預設值，然後關閉汞燈，按下背景記憶。接下來計算機會將實際採集的譜線與背景相減，獲取真實的譜線。
（3）設定中心波長為500nm（中心波長的調整過程當中，應當緩慢調節，每次調節都應當在上一次調節生效之後），按下「實時採集」按鍵，採集hg的特徵譜線。根據hg光譜的尖銳程度，適當調整光源和透鏡的位置，以及狹縫的大小。(如果沒看到譜線，只看到一些雜訊訊號，則要適當調整中心波長的設定，有可能譜線在電腦上你所看到範圍之外)
（4）得到較尖銳的光譜後，點選工具欄下的「停止」，實時採集完畢。將轉換開關打到觀察窗，開啟ccd的遮光蓋，觀察衍射光譜。可以看到一道強綠光和兩道黃光對照。
hg有435.84nm、546.07nm、576.
96nm和579.0nm四條特徵譜線，由於在計算機上所能反映的光譜頻寬為150nm-200nm之間，中心波長為550nm。讀取三條尖銳光譜的位置陣列，做差，根據其差值比，及觀察窗檢視到的光線顏色，可以確定三條光譜為546.
07nm,576.96nm,579.07nm這三條特徵譜線。
（5）確定了特徵譜線之後，利用這幾條特徵譜線進行定標，將橫座標的道數轉化為波長顯示。在實驗過程中採用手動定標，在「資料處理」中選擇「手動定標」，選定546.07nm的譜線，按回車鍵，輸入譜線波長，按「下一點」之後選定579.
07nm的譜線，按回車鍵，輸入譜線波長，點選「定標」後選擇線性定標後，計算機就根據hg的特徵譜線來完成定標，將橫座標的道數顯示轉換成波長顯示。
（6）測量納光的波長，將hg燈光源換為鈉燈光源，採集同一波長範圍內的待測鈉光的光譜，在完成實時採集之後，對光譜圖進行尋峰（採集鈉光光譜所用的暫存器必須是汞光譜定標所在的暫存器）。
鈉光雙黃線的波長為： 588.69nm 589.23nm
四、 實驗總結
本實驗利用光學多道分析儀對鈉光波長進行了測定，並對光學多道分析儀的使用方法進行了練習，最終得到鈉光波長為588.69nm 和589.23nm，符合實驗誤差要求。
一開始由於對實驗理解不足，在操作過程中不明白中心波長的含義，在除錯的過程中，發現中心波長控制著螢幕中波長的出現情況。在定標完成後，測量鈉光波長的情況下，中心波長是可以改變的，只要在找到需測量的波長後，把前後中心波長的差值加上去，實驗資料仍就可以使用。
【參考文獻】
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【2】張天喆、董有爾，近代物理實驗。[j]科技出版社.2004-
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