实验22汞原子谱线波长的测定

一、实验内容与数据处理

1.分光计调整

（1）调整望远镜目镜，透过目镜看到清晰的目镜镜筒中分划板上黑色十字叉丝；

（2）调节目镜和物镜的距离，通过目镜看到清晰的从小镜子上反射回来的绿色十字叉丝像；使反射回来的十字叉丝像位于目镜的分划板十字的上横刻线处；使望远镜光轴垂直于载物台旋转主轴；

（3）调节平行光管光轴垂直于载物台旋转主轴，调节平行光管狭缝平面与平行光管透镜间的距离，用已调整到无穷远的望远镜来判别平行光管出来的是否是平行光；

2.检查光栅平面与入射光线垂直程度。

3.观察低压汞灯光谱线。

4.测量汞灯紫色谱线，绿色谱线和黄色双谱线的波长。

二、分析与讨论

1.在调整分光计时，如果没有达到要求就会出现一下两种情况：⑴若载物台平面与分光计中心轴垂直，而与望远镜光轴不垂直，则当转动载物台时，无论哪个反射面对准望远镜，在望远镜中看到的叉丝像总是偏上或总是偏下。⑵若望远镜光轴与分光计中心轴垂直，而载物台平面不垂直，则当转动载物台，使一个反射面正对望远镜时若叉丝像偏下；转过180°，使另一个反射面正对望远镜，叉丝像必偏上。这时可以调整载物台调整螺母a、b、c中任选两个。

 

第二篇：光谱测量实验

光谱测量实验报告

专业： 物理电子学

实验时间：2013.12

一、实验目的

1、    通过实验学习了解光源、探测器与光纤间的耦合连接方法；

2、    通过文献调研和学习，了解光谱测量方法，重点是光纤光谱仪的工作原理、窄带激光带宽的零拍法和外差法；

3、    通过光纤光谱仪测试实验，掌握利用光纤光谱仪测量光纤激光器、SLD、LED、LD的线宽，中心波长；

4、    通过对窄带（kHz带宽）激光带宽的测量学会激光带宽的外差法；

5、    学会独立用C或VC编程来处理外差法测试数据。

二、实验内容

1、    学习光源与光纤连接耦合方法；

2、    利用光纤光谱仪测量光纤激光器、SLD、LED、LD的线宽，中心波长；

3、    利用外差法测量超窄线宽激光带宽；

4、    用C或VC编程获得外差法测量的频谱宽度。

三、实验原理

1、          基本方法：光纤的处理

剥皮   切割   连接   熔接

2、          光源光谱测量方法

光源中心波长、带宽测量常用的四种方法：

1.                   传统的反射光栅型光谱分析仪，典型设备如Angilent 861242B等系列产品,其最小分辨率带宽为0.06nm（约7GHz)。

2.                   扫描式（光纤）法布里—珀罗干涉仪（FP腔），典型设备如Newport公司的“超腔”和Micron Optics公司提供的FFP-TF，其分辨率带宽难于做到小于1MHz。

3.光纤环形腔。

4.Okoshi 1980年首先提出的自差法干涉仪

（1）超窄线宽激光带宽的拍频法：零拍法原理

 

单模激光可认为是一个有相位扰动振幅稳定的准单色电磁场

                                                （1）

代表相位的随机波动,它导致谱线展宽。当采用光纤延时的零拍法时,其合成场可表示为

Ｅ_T(ｔ)=Ｅ(ｔ)+αＥ(ｔ+t₀)         （2）

与激光线宽相联系,这里引进光电流自相关函数Ｒ_Ｉ(τ),它取决于(2)式所决定的总合成场的强度相关函数。如下式                 

Ｒ(τ)=ｅσＧ⁽²⁾_EＴ(0)δ(τ)+σ2Ｇ⁽²⁾_ET(τ) （3）

式中ｅ为电子电荷,σ为光电探测器灵敏度,δ即是δ函数,Ｇ⁽²⁾_ＥＴ(τ)为二阶光电流强度相关函数：

Ｇ⁽²⁾_ET(τ)=〈Ｅ_Ｔ(ｔ)Ｅ _Ｔ(ｔ)Ｅ_Ｔ(ｔ+τ)Ｅ _Ｔ(ｔ+τ)〉   （4）

根据著名的Wiener-Khintchine公式,通过对自相关函数进行傅里叶变换，得到光电流的谱密度:

FWHM (半高全宽)。

上式可以看出,当延时时间变短时,能量就向体现相干特性的第一项δ函数集中;当延时时间变长时能量逐渐向第二项转移,光的相干特性将转化为光的相拍特征,第二项中表现为准Lorentz线形,其半高全宽(ＦＷＨＭ)为4γ,是被测激光线宽的两倍,即这就是用零拍法测量激光线宽工作原理;同时必须注意到第二项大括号中的因子对光电流谱线的影响。

零拍谱线

（2）超窄线宽激光带宽的拍频法:外差法原理

为了减小零拍法中1/f等低频噪声影响，可采用外差法，即通过调制使两路光产生一个差频，然后相拍，使拍频信号被调制到一个较高的频率位置。

 

四、实验步骤

1、          光纤光谱仪测量光源中心波长、带宽

实验装置：

（1）预处理光纤，光源与光纤耦合，光纤与FC连接器相连；

（2）通过光功率计调整光源与光纤耦合输出功率适当大小；

（3）按实验装置联接光路；

（4）设置光谱仪频率和强度范围参数；

（5）测试光源中心波长和频谱带宽。

（6）记录（打印）实验数据和测试曲线。

2、          拍频法测量超窄线宽激光带宽

实验装置：

（1）预处理光纤，光源与光纤耦合，光纤与FC连接器相连；

（2）通过光功率计调整光源与光纤耦合输出功率适当大小；

（3）按实验装置联接光路，接收电路用?5V电压；

（4）测试拍频信号频谱带宽。

开启示波器、信号源、频谱仪、直流稳压电源（5V）；选择信号源一定频率（30Hz~50Hz)和强度的正弦信号,从示波器上观察待接收系统输出拍频信号比较满意为止，此时频谱仪上将出现相应的拍频谱；不断调整频谱仪频率和强度范围参数，直到带宽能比较方便测量为止。

（5）分别保存示波器和频谱仪上的实验数据和测试曲线;

（6）用Origin软件对频谱数据进行平滑处理，得到带宽测量值;

（7)  用C或VC编程：写出平滑滤波、快速傅里叶FFT、带宽求解和频谱图程序，对示波器上的输出数据进行处理，得到测试结果。

五、实验数据

1、          光纤光谱仪测量光源中心波长、带宽

(a)

(b)

图1.光源光谱测量图

由上图可得光源带宽为：16nm

中心波长为1.316 µm

2、          拍频法测量超窄线宽激光带宽

图2.光源频谱图

图（3）

中心频率为：52.1550041 kHz

带宽为：2*（52.7537313-52.1550041）=1.1974544kHz

六、实验心得

    因为光路很简单，在原来光路的基础上微调下就可以做实验了，所以这个实验做起来很简单。做实验前也认真地看了几遍实验报告，并且翻阅了相关书籍，但在实验时还是遇到了一些问题。由此看来我对基本概念的理解，基本理论的掌握还不够完整，需要进一步加强基础知识的学习。当然，通过这次实验也学到了很多东西，同时也开始接触和学习origin这种快捷、功能强大的数据分析软件。自学软件开始会比较吃力，到现在我还是不能完全熟悉origin的全部功能，我会继续深入学习，直到能够灵活运用为止。