实验报告Ⅲ-使用光学多道测量光谱

使用光学多道测量光谱

物理082 李春宇 08180240

摘要: 利用光学多道分析系统，在已知光谱的情况下，分析可见光区的Hg的特征谱线，采用Hg的404nm和579nm进行线性定标，然后得到道数与波长的转换关系。然后利用所得到的道数与波长的转换关系，通过纳光的光谱来测量纳光的波长。在此基础上，通过实验了解光栅光谱仪的组成及工作原理，掌握光栅光谱仪分析光谱的方法。

关键词：光学多道光谱道数特征谱线

引言： 光学多道光谱仪是采用电子技术和光学技术相结合的方法研制成功的, 较传统的光

谱仪在技术上有很大的改进且应用方便。一般的光谱仪都是用棱镜或光栅等其它光学元件组成, 在光谱的焦平面上开一道狭逢让某一波长的光通过并用能量计测量其能量, 每次只能测量单个波长的光, 应用很不方便且准确度不高。光学多道光谱仪较一般的单色仪优越得多, 每次能测量很多非连续或连续波段的光谱且能准确地读出各光谱的波长值和相对强度值; 测量的光谱带宽可以从真空紫外到远红外。

CCD 具有尺寸小、重量轻、功耗小、线性好、噪声低、动态范围大、光谱响应范围宽、寿命长、实时传输和自扫描等一系列优点,使得它的应用越来越广泛。由CCD、光栅光谱仪和微机数据采集系统组成的测量系统具有对光谱信息快速采样、存储、传输和数据处理等功能,从而使光谱的测量数字化,在光谱测量领域的应用将会越来越广泛。

一、实验目的

1 了解电耦合器件（CCD）的原理并掌握OMA系统的工作原理与使用注意事项。

2 用低压汞灯谱线作为一只波长进行波长测量定标，观测并记录钠灯光谱。

二、实验原理

光学多通道分析仪原理为平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：

式中d是光栅常数，λ是入射光波长，k是衍射级次，θ为衍射角。由光栅方程可知，当光栅常数d一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、很锐的亮线。

由dsinθ=kλ可知，级次间距对应，当角度θ较小的时，角度间隔?θ最小，当角度θ增加时，角度间隔?θ增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时可以简化为线性，即可采用线性定标，更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3次、或4次定标，在本实验中，我们采用线性定标。

定标：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下，采集已知谱线，然后对已知谱线定标，随即将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，可直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。

定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长（或中心波长）。在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。定标也是有误差的。定标使用谱线位置的远近，以及采用的是几次定标，都会影响到数据的准确性。

WGD-6型光学多通道分析器由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元及计算机组成（结构见下图）。它集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，可用于分析300nm－900nm范围内的光谱。

WGD-6型光学多通道分析器原理图

CCD传感器是WGD-6型光学多通道分析器数据采集部分的核心，也是整个系统的关键所在，它的作用是将衍射光谱转换成电信号。

CCD全称电荷耦合器件(Charge—Coupled Device)是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等一系列优点。自1970年问世以来，发展迅速、应用广泛。CCD线列已用于光谱仪，将它置于光谱仪的光谱面，一次曝光就可获得整个光谱，并且易于与计算机连接。面阵CCD已用于电视摄像机和卫星遥感器。

CCD的工作过程是：当CCD受到光照后，各个CCD单元内贮存的电荷量与它的曝光量成正比；若给它施加特定时序的脉冲，其内部单元存贮的信号电荷便能在CCD内作定向传输、实现自扫描，进而将由光照感生的电荷依次传送出去。

WGD-6型光学多通道分析器数据采集部分的另一个作用是将线阵CCD输出的模拟电压信号转换成数字电压信号，并存储在外部RAM中。这样数据就成为计算机能够读取的有效数据了。

计算机处理部分的功能是控制整个系统工作，将数据由外部RAM中读入、并保存在内部RAM并作分析、处理，最后计算出结果并根据要求显示和打印。因此对于计算机的使用是本次实验的关键，实验之前必须把软件的说明仔细阅读，同时对于计算机与光学多通道分析器的连接线路也应该仔细研究。最后考虑到数据量可能比较大，我们需要耐心等待实验结果并且尽量不干扰仪器获得的数字电压信号及原始数据。

三、实验步骤：

1 根据实验装置图连好实验仪器，使光源聚集在多色仪的缝上。调多色仪的缝隙为0.1～0.5mm。狭缝越小越好，但是不能调过零对仪器损害很大。

2 打开计算机、CCD电源，打开软件，将汞灯置于适当位置，点击软件的背景记忆进行背景过滤，打开汞灯，调节中心波长为400nm并进行实时数据采集。根据汞灯波谱的细锐程度，适当调整光源和透镜的位置及狭缝的大小使出现的谱线锐利至谱线峰值为单线。

3 得到较细锐的波谱后，用菜单栏上数据处理中的自动定标，对汞灯的波长定标。对应上术表格中的各种波的波长，分析自动定标所得到的几条谱线之间的波长差。根据它和已知的标准波长值表相对照，认出他们的标准波长。然后用手动定标的方式，重新对汞的谱线精确定标。

4 接下来将汞灯光源换为钠灯光源，采集同一波长范围内的待测钠光源的光谱，然后对其进行寻峰（采集钠光光谱所用的寄存器必须是汞光谱定标所在的寄存器）就可得出同一波长范围钠光的波长。

四、数据处理

实验数据处理后的图像如下图1、2

图1：定标

图2：钠光灯测量图

五、实验总结

在实验操作过程中，由于没搞懂怎样定标和如何确定Hg的特征谱线的方法，导致在实验操作过程中遇到了很大的问题，影响了实验的进度。例如：对于光谱测量的历史了解不够，以至不太清楚当前所用的光学多道测量仪的改进与工作的实质原理；对于汞的光谱分析不够，导致定标时的错误；还有对于软件使用的视乎导致在已知光谱的调节上投入的大量的时间。这些问题的出现，反映了我们在实验预习方面做的还不够到位。但是，通过实验老师的指导和同学间的讨论，最终还是解决了在实验中所遇到的一系列问题，达到了实验的预期目标。这就提示我们在以后的实验中，在实验预习方面投入更多的精力，尽量避免类似情况的出现。