光栅莫尔条纹原理
莫尔条纹是十八世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。从技术角度上讲，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。
实验原理
如果把两块光栅距相等的光栅平行安装，并且使光栅刻痕相对保持一个较小的夹角θ时，透过光栅组可以看到一组明暗相间的条纹，即为莫尔条纹。莫尔条纹的宽度B为：
B=P/sinθ其中P为光栅距。
光栅刻痕重合部分形成条纹暗带，非重合部分光线透过则形成条纹亮带。光栅莫尔条纹的两个主要特征是
(1)判向作用：当指示光栅相对于固定不动的主光栅左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动，由此可以确定光栅移动的方向。
(2)位移放大作用：当指示光栅沿着与光栅刻线垂直方向移动一个光栅距D时，莫尔条纹移动一个条纹间距B，当两个等距光栅之间的夹角θ较小时，指示光栅移动一个光栅距D，莫尔条纹就移动KD的距离。K=B/D≈1/θ。B=D/2sinθ/2≈d/θ，这样就可以把肉眼看不见的栅距位移变成清晰可见的条纹位移，实现高灵敏的位移测量。
实验仪器
光栅组、移动平台
实验步骤
1、安装好主光栅与指示光栅，使两光栅保持平行，光栅间间隙要尽量小，微调主光栅角度，使莫尔条纹清晰可见。
2、旋动移动平台螺旋测微仪，向前或向后，观察莫尔条纹上下移动与指示光栅位移方向的关系。
3、人工微位移测量：当指示光栅位移一个光栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹距。调节位移平台，仔细记数条纹移动数目，根据实验二十测得的光栅距，与位移条纹数相乘，此即为指示光栅的位移距离，实验时可与螺旋测微仪的转动刻度相对照。（事实上光栅莫尔条纹记数所测得的位移精度远高于螺旋测微仪的精度）。
光栅光谱仪的使用实验报告 学院高等工程 师学院 班级自E152学号41518170姓名郑子亮 一、实验目的与实验仪器 【实验目的】 1.了解平面反射式闪耀光栅的分光原理及主要特性 2.了解光栅光谱仪的结构，学习使用光栅光谱仪 3.测量钨灯和汞灯在可见光范围的光谱 4.测定光栅光谱仪的色分辨能力 5.测定干涉滤光片的光谱透射率曲线 【实验仪器】 WDS-3平面光栅光谱仪（200~800nm）。汞灯，钨灯氘灯组件，干涉滤光片等。 二、实验原理 （要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式） （1）平面反射式光栅与光栅方程 规定衍射角Θ恒为正，i与Θ在光栅平面法线的同侧为正，异侧为负。K是光谱级 对于常用的平面光栅光谱仪，谱板中心到光栅中心的连线与入射光线在同一平面内，因此，衍射角Θ可当做入射角i，光谱方程为： （2）闪耀问题 闪耀波长： 2平面光栅光谱仪结构组成 （1）光学系统 （2）电子系统 （3）光栅光谱仪操作
3.色分辨率 光栅光谱仪的色分辨率是分开两条邻近谱线能力的量度 4.滤光片光谱特性 光谱透射率为： 三、实验步骤 （要求与提示：限400字以内） 1.准备工作 开机前，需要缓慢旋转入射狭缝宽度调节旋钮，设置参数 2.校准光谱仪的波长指示值 利用氘灯波长值为486.0nm的谱线校准光谱仪，利用“数据处理”菜单的功能读出测量的氘灯光谱谱线波长，如果有偏差，用“系统操作”菜单中的“波长校正”功能进行校正3.汞灯光谱和光谱仪分辨率的测量 （1）入射缝宽和出射缝宽设定在0.15~0.20nm之间，负压-300~-600之间 （2）移去钨灯&氘灯组件，将汞灯置于入射狭缝前，进行快速全谱扫描，根据光谱测量结果进一步调节狭缝宽度、负高压等参数，使得记录的谱线高度适当，再进行一次慢速全谱扫描，保存实验数据。 4.滤色片光谱特性的测量 5.退出系统与关机 四、数据处理 （要求与提示：对于必要的数据处理过程要贴手算照片） 1. （1）汞灯光谱
光栅传感器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
一、光栅传感器的基本原理 光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，多用于位移测量及与位移相关的物理量，如速度、加速度、振动、质量、表面轮廓等方面的测量。光栅传感器的基本结构如图1所示： 图1 光栅传感器的基本结构 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成如图1所示，当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹。利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。 光栅传感器光源：钨丝灯泡的输出功率较大，工作范围较宽为-40℃到 +130℃，但是它与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。因此必须定期更换照明灯泡以防止由于灯泡失效而造成的失误。半导体发光器件转换效率高，响应快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。 光栅副：如图2所示为透射光栅，它是一个长光栅，在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则的明暗线条。图中a为刻线宽度，b为可惜案件的缝隙宽度，a+b=W称为光栅的栅距或光栅常数。通常情况下， a=b=W/2，也可以做成a:b=1.1:0.9,刻线密度一般为每毫米10,25,50,100线。
图2 透射光栅 指示光栅一般比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。 光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。二、莫尔条纹形成的原理 把光栅常数相等的主光栅和指示光栅相对叠合在一起（片间留有很小的间隙），并使两者栅线之间保持很小的夹角θ，于是在近于垂直栅线的方向上出现明暗相间的条纹，如图3所示。在a-a’线上，两光栅的栅线彼此重合，光线从缝隙中通过，形成亮带；在b-b’线上，两光栅的栅线彼此错开，形成暗带。这种明暗相见的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹方向与刻线方向垂直，故又称做横向莫尔条纹。
光栅光谱仪的应用 摘要：本实验通过光栅光谱仪，测量并分析不同光源的发射光谱、溶液的吸收光谱、滤光片的透射光谱以及实验条件对光谱的影响。 关键词：光栅光谱仪、光电倍增管、发射光谱、吸收光谱、透射光谱 Abstract：In this experiment, the emission spectra of different light source, the absorption spectra of the solution, the transmission spectra of optical filters with several colours, and the effects caused by experimental conditions are measured and analyzed with the help of the grating spectrometer. Keywords: grating spectrometer, photomultiplier, emission spectrum, absorption spectrum, transmission spectrum.
一、引言 光栅光谱仪，是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器。本实验利用定标后的光栅光谱仪，测量不同光源的发射光谱、物质吸收光谱以及透射光谱，并研究分析实验条件对光谱的影响，了解光谱特性。 二、实验原理 1.发射光谱： 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱1。处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱。 由于产生的情况不同，发射光谱又可分为连续光谱和明线光谱。 稀薄气体发光是由不连续的亮线组成（实际由于光线通过时会产生吸收光谱，特定频率的光被吸收后形成暗线或暗带，剩下的就是光谱中的明线），这种发射光谱又叫做明线光谱，原子产生的明线光谱也叫做原子光谱。 固体或液体及高压气体的发射光谱，是由连续分布的波长的光组成的，这种光谱叫做连续光谱。 白炽灯与汞灯的发射光谱区别就在于，前者是连续光谱而后者是明线光谱。 2.吸收光谱： 物质吸收电磁辐射后，以吸收波长或波长的其他函数所描绘出来的曲线即吸收光谱。是物质分子对不同波长的光选择吸收的结果，是对物质进行分光光度研究的主要依据2。 吸光度是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数（即lg(Iin/Iout)）3。 吸光度与物质的浓度、温度、本身性质等有关。 在多组分体系中，如果各组分的吸光质点彼此不发生作用，那么吸光度便等于各组分吸光度之和，这一规律称吸光度的加和性。 [I0为入射光强，I为出射光强] (1) 吸光度公式：Aλ=log I0 I 对较稀溶液，有比尔—朗伯定律： A=αlc [α是吸收系数，l是光在样本中经过距离，c是浓度] (2) 3.光栅单色仪： 1引自《百度百科·发射光谱》； 2引自《百度百科·吸收光谱》； 3
WGD8/8A 组合式多功能光栅光谱仪 https://www.doczj.com/doc/7315411156.html,/Products.htm 【产品介绍】 组合式多功能光栅光谱仪系列 组合式多功能光栅光谱仪系列是专为院校，科研院设计的。产品设计新颖，性能优越，尤其是采用了积木组合式结构，方便了各种数学实验和检测，该产品已被推荐为大转院校物理实验室首选仪器。产品以崭新的面貌、完善的功能为广大用户提供了先进的测试手段。 用途 ■吸收光谱测量：可对被测物质（气体、液体、固体）进行吸收光谱分析 ■发射光谱测量：测量发射光源特性 ■荧光光谱测量 ■其它：利用氢光谱测量德伯常量，接收元件灵敏特性的测量、色度测量 仪器简介 WGD-8型/8A型多功能光栅光谱仪可用于各大学及研究部门，作为物理实验教学及光谱分析之用。仪器有两路出射狭缝分别用光电倍增管与CCD接收，WGD-8A型光谱仪是专门为大学的氢氘实验、钠光谱实验设计的仪器，选用优质光电倍增管、光栅、狭缝。确保分辨率达到0.06nm WGD-8型 波长范围光电倍增管接收 200-800nm CCD接收300-900nm 焦距500mm 狭缝宽度0-2mm连续可调 示值精度 0.01mm 相对孔径 D/F=1/7 波长精度 ±0.4nm 波长重复性 0.2nm 分辨率优于0.1nm 杂散光≤10-3 外形尺寸 560＊380＊230mm 重量30kg WGD-8A型 波长范围光电倍增管接收 200-660nm CCD接收 320-900nm 焦距 500mm 狭缝宽度0-2mm连续可调 示值精度0.01mm 相对孔径D/F=1/7 波长精度±0.4nm
波长重复性0.2nm 分辨率优于0.06nm 杂散光≤10-3 外形尺寸560＊380＊230mm 重量 30kg 【产品特点】 ■更换不同的光栅、光谱区间可以从0.2-15μ，并有较高的分辨功利。 ■积木组合式、着重提高学生的动手能力 ■光电接收器件：分别采用光电倍增管、热释电探测器及CCD，便于教师做相关的教学及试验研究。 ■采用CCD接收的WGD-6型光学多道分析器，其测量速度快，可实时测量光谱随时间的变化、 三维坐标显示。 ■单光子计算器与WGD-3型单色仪组合，可做弱信号测量 ■WGD-8A型具有极高分辨率，可做氢氘及钠光谱实验
莫尔条纹 机电科学与工程系 电子信息工程
莫尔条纹是十八世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。所谓莫尔条纹，是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果，当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹。数控方面的莫尔条纹是由光栅固定在机床活动部件上，读数头装在机床固定部件上，并且两者相互平行放置，在光源的照射下形成明暗相见的条纹。 莫尔条纹具有如下特点：变化规律，两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步；放大作用，在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距ω、栅线角θ之间有下列关系（θ的单位为rad，W的单位为mm），由于倾角很小，sinθ很小，则W=ω /θ，若ω＝0．01mm，θ＝0.01rad，则上式可得W＝1，即光栅放大了100倍；均化误差作用，由若干光栅条纹共用形成莫尔条纹，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。 莫尔条纹现象是由于信号取样频率接近感光器分辨率所致，通常解决方法用一个低通滤镜把高于感光器分辨率的信号挡住，其副作用就是降低成像分辨率。因此在设计低通滤镜时设计师要在分辨率和莫尔条纹之间做一个妥协选择。因为D70的CCD前面使用效果比较弱的低通滤镜，所以在提高成像分辨率也造成了莫尔条纹出现几率的增大，此现象也广泛出现于其他DSLR上。 根据莫尔条纹的形成原理制成了光栅尺位移传感器，其工作原理是，当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。
光栅的结构及工作原理 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙(一般取或要求。 1．光栅尺的构造和种类 光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间距离相等，我们称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25,50,100,125,250条／mm。对于圆光栅，若直径为70mm,一周内刻线100-768条；若直径为110mm，一周内刻线达600-1024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。 2．光栅读数头 图4-7是光栅读数头的构成图，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的线路。
光栅光谱仪的使用实验报告 一、实验目的与实验仪器 1.实验目的 （1）了解平面反射式闪耀光栅的分光原理及主要特性； （2）了解光栅光谱仪的结构，学习使用光栅光谱仪； （3）测量钨灯和汞灯在可见光范围的光谱； （4）测定光栅光谱仪的色分辨能力； （5）测定干涉滤光片的光谱透射率曲线。 2.实验仪器 WDS-3平面光栅光谱仪（200~800nm），汞灯，钨灯&氘灯组件，干涉滤光片。 二、实验原理 （要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式） 1.平面反射式闪耀光栅原理 （1）θ方向的光强：I θ=(sinα α )2(sinNβ sinβ )2 （2）光栅方程：d（sinθ+sin i）= kλ （3）闪耀光栅：光强最大的方向就是槽面反射定律所规定的方向，0级谱线出现在光栅平面反射的方向，闪耀光栅能够把能量集中在需要的光谱级里。 （4）闪耀波长的计算：λ=2dsinγ k 2.平面光栅光谱仪的结构与组成 （1）光学系统结构：
光栅：1200/mm；闪 耀波长250nm；M1 和M2凹面镜焦距 为300mm；狭缝0- 2mm连续可调。 电子系统：电源系统、光接收系统、步进电动机系统组成。 光学接收系统：光电倍增管及其放大电路组成。 光电倍增管：光信号转变成电信号。是测光仪器和光电自动化设备中的主要探测元件。 目前测量光信号最灵敏的器件之一。 结构： 3.色分辨率 光栅光谱仪的色分辨率是分开两条邻近谱线能力的量度。 以汞灯的两条黄谱线（波长为 577.0nm和579.1nm）为例测出谱 线λ1和λ2峰间的间隔a以及峰 的半宽度b，则色分辨能力为： Δλ =b α δλ δλ=λ 2-λ 1 =2.10nm 4.滤光片光谱特性
光栅光谱仪的使用 学号 2015212822 学生姓名张家梁 专业名称应用物理学（通信基础科学） 所在系（院）理学院 2017 年 3 月 14 日
光栅光谱仪的使用 张家梁 1 实验目的 1.了解光栅光谱仪的工作原理。 2.学会使用光栅光谱仪。 2实验原理 1. 光栅光谱仪 光栅光谱仪结构如图所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。 光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCCD 等多种，经过光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和CCD 来接收出射光。 2. 光探测器 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”) ──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。
CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理单元。对光敏感的CCD 常用作图象传感和光学测量。由于CCD 能同时探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。 3. 闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（Φ=90°）光栅衍射的一般特性。当入射角Φ=90°时，衍射强度公式为 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝衍射因子共同决定，只不过此时 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取＋号，异侧时取－号。单缝衍射中央主极大的条件是u=0，即sinΦ=-sinθ或Φ=θ。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足v＝0，即0 级干涉大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0 级大位置是重合的（图9.1a），光栅衍射强度大的峰是个波长均不发生散射的0 级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。 为了提高信噪比，可以采用锯齿型的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”。与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状
WGD-8_8A型_组合式多功能光栅光谱仪_说明书一(规格与主要技术指标 500mm 焦距 8A200-660 nm 8200-800 nm 波长区间型:型: D/F1/7 相对孔径, 8A2400l/mm =250nm 81200l/mm =250nm 光栅型:λ型:λ闪闪200660nm 200800nm 波长范围,波长范围, ,3 10 杂散光? 8A0.06nm 80.1nm 分辨率型:优于型:优于 8A 8 光电倍增管接收型:型: 200660nm 200-800 nm 波长范围, 0.2nm 0.4nm 波长精度???? 0.1nm 0.2nm 波长重复性???CCD() 电荷耦合器件 2048 接收单元 8A300660nm 8300-900 nm 光谱响应区间型:,型: 88 积分时间档 25kg 重量
S1 M2 M1 G M3 S2 S3 图2-1 光学原理图
M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、G平面衍射光栅 S1入射狭缝、S2光电倍增管接收、S3 CCD接收 二(基本原理 WGD8A,型组合式多功能光栅光谱仪～由光栅单色仪～接收单元～扫描系统～电子放A/D大器～采集单元～计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。 C-T2-1 光学系统采用型～如图 02mm入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝～宽度范围,连续可调～光源发出的光束进入入 S1S1M2S1M2射狭缝～位于反射式准光镜的焦面上～通过射入的光束经反射成平行光束 1 G M3S2S3 投向平面光栅上～衍射后的平行光束经物镜成象在上或上。 M2M3 500mm 、焦距 G 8A2400l/mm =250nm 81200l/mm =250nm 光栅型:λ型:λ闪闪 200660nm 200800nm 波长范围,波长范围, 8A 320500nm 8 320500nm 滤光片工作区间型:白片,型:白片, 500660nm 500800nm 黄片,黄片,注:8型和8A型的使用操作方法一致,使用同一软件进入程序后～只要选择相对应光栅数即可, 三(安装 3.1 开箱 打开仪器的包装后～请对照装箱单对仪器的齐套性进行认真清点验收～如发现与装箱单 不符或者仪器表面有明显的受损现象请立即与售方联系解决。 仪器的齐套性请参阅仪器的装箱单。
光栅传感器的工作原理 光栅数字传感器，通常由光源5(聚光镜4)、计量光栅、光电器件3及测量电路等部分组成，如图12.1.2所示。计量光栅由标尺光栅1（主光栅）和指示光栅2组成，因此计量光栅又称光栅副，它决定了整个系统的测量精度。一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。测量时主光栅与被测对象连在一起，并随其运动，指示光栅固定不动，因此主光栅的有效长度决定了传感器的测量范围。 1.莫尔条纹 将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，如图12.1.3所示。当有光源照射时，由于挡光效应（对刻线密度≤50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对刻线密度≥100条/mm的光栅），与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开的地方，形成暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹有如下几个重要特性： （1）莫尔条纹的运动与光栅的运动一一对应 当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。 （2）莫尔条纹具有位移放大作用 当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由式（12.1.1）可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1/ θ倍。例如，对50条/mm的光栅，W=0.02mm，若取，则莫尔条纹间距，K=573，相当于将栅距放大了573倍。因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。（3）莫尔条纹具有误差平均效应 莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。 （4）莫尔条纹的间距S随光栅刻线夹角θ变化 由于光栅刻线夹角θ可以调节，因此可以根据需要改变θ的大小来调节莫尔条纹的间距，这给实际应用带来了方便。 当两光栅的相对移动方向不变时，改变θ的方向，则莫尔条纹的移动方向改变。 2．光电转换 主光栅和指示光栅的相对位移产生了莫尔条纹，为了测量莫尔条纹的位移，必须通过光电器件（如硅光电池等）将光信号转换成电信号。 在光栅的适当位置放置光电器件，当两光栅作相对移动时，光电器件上的光强随莫尔条纹移动，光强变化为正弦曲线，如图12.1.4所示。在a位置，两个光栅刻线重叠，透过的光强最大，光电器件输出的电信号也最大；在c位置由于光被遮去一半，光强减小；位置d的光被完全遮去而成全黑，光强最小；若光栅继续移动，透射到光电器件上的光强又逐渐增大。光电器件上的光强变化近似于正弦曲线，光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期。光电器件的输出电压 通过整形电路，将正弦信号转变成方波脉冲信号，则每经过一个周期输出一个方波脉冲，这样脉冲总数N就与光栅移动的栅距数相对应，因此光栅的位移为
实验报告 题目: 光栅光谱仪的使用 姓名董芊宇 学院理学院 专业应用物理学 班级2013214103 学号2013212835 班内序号22 2015年9 月
一． 实验目的 1. 了解光栅光谱仪的工作原理。 2. 学会使用光栅光谱仪。 二． 实验原理 1.闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（φ=90?）光栅衍射的一般特性。当入射角φ=90?时，衍射强度公式为 22 2 sin sin sin I u Nv A u v = ???? ? ????? (9.1) 光栅衍射强度仍然由单缝衍射因子和多缝干涉因子共同决定。只不过此时 ()sin sin a u π φθλ= + (9.2) ()sin sin d v πφθλ =+ (9.3) 当衍射光与入射光在光栅平面法线同侧时，衍射角θ取+号，异侧时取-号，单缝衍射中央主 极大的条件是0u =，即sin sin φθ=-或?θ=-。将此条件代入到多缝干涉因子中，恰好满足0v =，即0级干涉最大条件。这表明单缝衍射中央极大与多缝衍射0级最大位置是重合的，光栅衍射强度最大的峰是个波长均不发生散射的0级衍射峰，没有实用价值。而含有丰富信息的高级衍射峰的强度却非常低。 为了提高信噪比，可以采用锯齿形的反射光栅（又称闪耀光栅）。闪耀光栅的锯齿相当于平面光栅的“缝”，与平面光栅一样，多缝干涉条件只取决于光栅常数，与锯齿角度、形状无关。所以当光栅常数及入射角与平面光栅一样时，两者0级极大的角度也一样。闪耀光栅的沟槽斜面相当于单缝，衍射条件与锯齿面法线有关。中央极大的衍射方向与入射线对称于齿面法线N ，于是造成衍射极大与0级干涉极大方向不一致。适当调整光栅参数，可以使光栅衍射的某一波长最强峰发生在1级或其他高级干涉极大的位置。 2.非平衡光辐射（发光） 处于激发态上的电子处于非平衡态。它向低能级跃迁时就会发光。设电子跃迁1 E 和0E ，发 射光子的能量为 10hc hv E E E λ ==-=? (9.4) 电子受光辐射激发到高能态上导致的发光成为光致发光。光致发光时，电子在不同能级间跃迁常见如下情况。 (1) 电子受光辐射激发，然后以无辐射情况跃迁到低能级。（无发射跃迁释放的能量转化成热能
光栅尺工作原理 常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。图4-9是其工作原理图。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度 来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。莫尔条纹具有以下性质： (1) 当用平行光束照射光栅时，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数。 (2) 若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅的栅距，θ表示两光栅尺线纹的夹角，则它们之间的几何关系为W=d／sin当 角很小时，上式可近似写W=d／θ 若取d=0.01mm,θ=0.01rad，则由上式可得W=1mm。这说明，无需复杂的光学系统和电子系统，利用光的干涉现象，就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。这种放大作用是光栅的一个重要特点。 (3) 由于莫尔条纹是由若干条光栅线纹共同干涉形成的，所以莫尔条纹对光栅个别线纹之间的栅距误差具有平均效应，能消除光栅栅距不均匀所造成的影响。 (4) 莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应。两光栅尺相对移动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度W，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。 根据上述莫尔条纹的特性，假如我们在莫尔条纹移动的方向上开4个观察窗口A，B，C，D，且使这4个窗口两两相距1／4莫尔条纹宽度，即W／4。由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个观察窗口A，B，C，D可以得到4个在相位上依次超前或滞后(取决于两光栅尺相对移动的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函数的光强度变化过程，用表示，见图4-9(c)。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化 转换成相应的电压信号，设为 。根据这4个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。 1．位移大小的检测 由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的，故通过检测 这4个电压信号的变化情况，便可相应地检测出两光栅尺之间的相对移动。 每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，因 是余弦函数，故根据 之值也可以计算出其相对移动的距离。 2. 位移方向的检测 在图4-9(a)中，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿正方向移动，这时，莫尔条纹相应地沿向下的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程 和及输出的相应的电压信号和如图4-10(a)所示，在这种情况下，滞后的相位为／2；反之，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿负方向移动，这时，莫尔条纹则相应地沿向上的方向移动，透过观察窗口A和B，光敏元件检测到的光强度变化过程和 及输出的相应的电压信号和如图4-10(b)所示，在这种情况下，超前的相位为／2。因此，根据和两信号相互间的超前和滞后关系，便可确定出两光栅尺之间的相对移动方向。 工作原理： 直线光栅尺和旋转编码器均依据相对运动的原理来产生光信号，这些信号经过光电器件的转换处理后，用来检测机械装置的位移。FAGOR公司反馈产品采用两种不同的材料来产生反馈信
光栅光谱仪的使用 学号2015212822 学生姓名张家梁 专业名称应用物理学（通信基础科学）所在系（院）理学院 2017 年3 月14 日
光栅光谱仪的使用 张家梁 1 实验目的 1. 了解光栅光谱仪的工作原理。 2. 学会使用光栅光谱仪。 2实验原理 1. 光栅光谱仪 光栅光谱仪结构如图所示。光栅光谱仪的色散元件为闪耀光栅。入射狭缝和出射狭缝分别在两个球面镜的焦平面上，因此入射狭缝的光经过球面镜后成为平行光入射到光栅上，衍射光经后球面镜后聚焦在出射狭缝上。光栅可在步进电机控制下旋转，从而改变入射角度和终聚焦到出射狭缝处光线的波长。控制入射光源的波长范围，确保衍射光无级次重叠，可通过控制光栅的角度唯一确定出射光的波长。 光谱仪的光探测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCCD 等多种，经过光栅衍射后，到达出射狭缝的光强一般都比较弱，因此本仪器采用光电倍增管和CCD 来接收出射光。
2. 光探测器 光电倍增管是一种常用的灵敏度很高的光探测器，它由光阴极、电子光学输入系统、倍增系统及阳极组成，并且通过高压电源及一组串联的电阻分压器在阴极──打拿极(又称“倍增极”) ──阳极之间建立一个电位分布。光辐射照射到阴极时，由于光电效应，阴极发射电子，把微弱的光输入转换成光电子；这些光电子受到各电极间电场的加速和聚焦，光电子在电子光学输入系统的电场作用下到达第一倍增极，产生二次电子，由于二次发射系数大于1，电子数得到倍增。以后，电子再经倍增系统逐级倍增，阳极收集倍增后的电子流并输出光电流信号，在负载电阻上以电压信号的形式输出。 CCD 是电荷耦合器件的简称，是一种金属—氧化物—半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理单元。对光敏感的CCD 常用作图象传感和光学测量。由于CCD 能同时探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。 3. 闪耀光栅 在光栅衍射实验中，我们了解了垂直入射时（Φ=90°）光栅衍射的一般特性。当入射角
光栅分为3D立体光栅,光栅尺,安全光栅,复制光栅,全息光栅,反射光栅,透射(衍射)光栅.基本上都是由一系列等宽等间距的平行狭缝组成，在1毫米的长度上往往刻有N多条的刻痕。刻痕处不透光，未刻处透光，我们称之为透射光栅，另一种光栅是反射光栅,有些需要进行特殊的镀膜处理,根据这种阴阳效果演变出更多的图形镜,图案镜等,简单原理就像是手电筒对着手指投影到对面墙壁,看到的图形.只是一个是微光一个是宏光制做.犹如在发丝上雕刻,工艺的难易不同. 最早的光栅是1821年由德国科学家J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为“光栅”。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分，其种类很多。按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛;按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、炫耀光栅、阶梯光栅等。 (光栅尺)应用于: 数控加工中心，机床，磨床，铣床，自动卸货机，金属板压制和焊接机，机器人和自动化科技，生产过程测量机器，线性产品, 直线马达, 直线导轨定位。 (立体光栅)应用于:印刷,展示,立体相片,具有立体效果,通过角度或摆产生幻变,动画,缩放使图像列漂亮,已成为办公文具,家居装饰用户首选产品. (全息光栅)应用于:商标防伪,印刷,光学仪器,激光演示等. (反射光栅)应用于:大同小异,光学仪器等 (透射光栅)应用于:光学仪器,激光演示,激光玩具…等产品. 随着光栅刻划技术和复制技术进一步的提高，光栅已走出实验室,从工业到民用及玩具礼品都有光栅的影子,可能光栅进行控制电源开关,可以用光栅出来了的光点做防盗安全网(物体一碰到光线,马上报警),可以做十字架瞄准用,可以做水平线用,还可以做激光图形镜,要想做什么图形就做什么图形.单片使用,有双片自转使用,有十几片旋转使用.只要合适的光源,光栅就会让光源变得更改多样和丰富.满足大家的爱好和需求. 任何一种具有空间周期性的衍射的光学元件都可以称为光栅，如果在一块镀铝的光学玻璃毛胚上刻划一系列等宽，等距而平行的狭缝就是透射光栅。如在一块镀铝的光学玻璃毛胚
WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪 基本原理 WGD－3 型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用C-T型，如图1 图1 光学原理图 M1反射镜、M2准光镜、M3物镜、G平面衍射光栅 S1入射狭缝、S2光电倍增管接收、S3 观察口 入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2.5mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成象在S2上或S3上。 M2、M3 焦距302.5mm 光栅G 每毫米刻线1200条闪耀波长550nm 二块滤光片工作区间白片 320－500nm 黄片 500－800nm 仪器使用： 1. 使用场地 该仪器是实验用仪器。为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器安装场地时应注意以下几点： a 环境温度20±5℃ b 净化湿度 <65% c 无强振动源、无强电磁场干扰。 d 室内保持清洁、无腐蚀性气体。 e 仪器应放置在坚固的平台上。
f 仪器放置处不可长时间受阳光照射。 g 室内应具稳压电源装置对仪器供电，装有地线，保证仪器接地良好。 2. 使用方法 WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪系统，系精密仪器。因此仪器安装的场合应满足安装环境的要求。工作台必须平稳。系统联线示意图如图2: 图2 连线示意图 （1）接通电源前，认真检查接线是否正确。 （2）狭缝的调正。 狭缝为直狭缝，宽度范围0－2.5mm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。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2.5mm，平日不使用时，狭缝最好开到0.1－0.5mm左右。 （3）滤光片 为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光片插入入缝插板上。滤光片共二片，工作区间： 白色滤光片 320－500nm 黄色滤光片 500－800nm （4）转换开关 检查转换开关的位置，确认是否是工作位置，若光电倍增管接收，请将扳手放在“光电倍增管”档；若观察谱线，可将旋钮指示停在“观察”档。 3. 软件使用 软件使用具体参见软件使用说明书和软件帮助文件。
用多功能光栅光谱仪进行钠光谱测量实验 碱金属原子的光谱和氢原子光谱相似，也可以归纳成一些谱线系列，而且各种不同的碱金属原子具有非常相似的谱线系列。碱金属原子的光谱线主要由4个线系组成：主线系、第一谱线系（漫线系）、第二辅线系（锐线系）和柏格曼线系（基线系）。进一步对碱金属原子光谱精细结构的研究证实了电子自旋的存在和原子中电子的自旋与轨道运动的相互作用，这种作用较弱，由它引起了光谱的精细结构。钠原子光谱及其相应的能级结构具有碱金属原子光谱和能级结构的典型特征。 【实验目的】 1、加强学生对光栅光谱仪的原理和基本组件的了解。 2、对钠原子光谱的进行测量和分析，加深对相关理论的理解与掌握。 3、由钠原子光谱确定各光谱项值及能级值, 量子缺Δ。 【实验器材】 本实验用到的仪器主要有：WGD-8A 多功能光栅光谱仪，钠光灯，计算机。 光谱仪是能将入射光按不同波长分成单色光谱的光学仪器，它由准直系统、色散系统和聚焦成像系统组成。准直系统通常由入射狭缝和准直物镜组成。入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。对于光谱仪来说，入射狭缝实际上是光谱仪的光源，待测信号光经照明系统照射入射狭缝，入射狭缝发出的光束经准直镜后成为平行光投射到色散系统。 色散元件通常为棱镜，光栅和法布里-珀罗干涉仪。色散元件为光栅的光谱仪称作光栅光谱仪。聚焦成像系统是利用成象物镜把经过色散系统后，在空间上色散开的各波长的光束会聚或成象在成象物镜的焦平面上。形成一系列的按波长排列的单色狭缝象，即通常所看到的光谱图。
图1-1 WGD-8/8A 型 多功能光栅光谱仪仪器外观 图1-2 电箱正视图 WGD －8A 型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D 采集单元，计算机组成。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置（C-T ）型，如图2-1所示。 1 2 3 1 光电倍增管接收器 2 CCD 接收系统 3 入射狭缝 1 2 3 4 5 6 10 9 8 7 1 负高压调节 2 负高压指示 3 USB 口电源指示 4 工作指示 5 通讯指示 6 电源开关 7 USB 讯号线 8 CCD 电缆线 9 单色仪电缆线 10 光电倍增管电缆线
光栅光谱仪实验报告（doc） 09级应用物理学03班 40908020323 肖金龙 2012.03.28 光栅光谱仪系统 (Grating spectrum-meter system) 光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围(UV- IR)，高光谱分辨率(到0.001nm),自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。 一、实验目的 1. 掌握发射光谱测试系统，光学元件的透射率光谱,反射率光谱测试系统以 及荧光光谱测试系统的搭建 2. 学习利用电脑自动扫描多光栅单色仪测试各种光源特性谱线，学会分析 各种光学元件的反射、透射谱线。 学习利用组合多光栅单色仪测试物质荧光光谱，分析荧光物质成分。 3. 二、光栅光谱仪测试系统组件名称 1(LHT75溴钨灯光源室+LPT75溴钨灯稳流电源(bromine tungsten) 2(LHM254波长校准汞灯光源
(The Hg lamp house for calibrating grating, the character wavelength is 254nm) 3(NFC-532-15陷波滤波装置 The 532nm wavelength is bound when light from the lamp house crossing the filter. 4(SPB300 300mm光栅光谱仪(the focus is 300nm) 5(SPB500 500mm光栅光谱仪 6(SD 六挡滤光片轮the light filer for six steps 7(SAC 三口样品室sample house 10. DCS102数据采集器data acquisition implement 11. PMTH-S1-CR131 光电倍增管photo multiplier tube 12. HVC1005 高压稳压电源regulated power supply in high voltage 三、光栅基础知识及实验原理图 当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。 1. 光栅基础光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成;复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可做到高光谱分辨率。选择光栅主要考虑如下因素:
光栅尺位移传感器原理简介及维护注意事项 一、光栅尺是什么？ 轨道旁边的黄色金属条，与其对 应部位，在移载台底部装有光读 头 定义： 光栅尺位移传感器（简称光栅尺），是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。 光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作 直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大， 检测精度高，响应速度快的特点。 二、光栅尺的分类、构造 1）分类： 光栅尺位移传感器按照制造方法和光学原理的不同，分为透射光栅和反射光栅。 ●透射光栅指的玻璃光栅. ●反射光栅指的钢带光栅 2）结构： 光栅尺位移传感器是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机 床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。下图所示的 就是光栅尺位移传感器的结构。
三、光栅尺的工作原理？ 常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。（关于莫尔条纹的原理，可参考相关文献） 简单的说：光读头通过检测莫尔条纹个数，来“读取”光栅刻度，然后再根据驱动电路的作用，计算出光栅尺的位移和速度。 莫尔条纹 四、光栅尺的维护 1）尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上的切屑和油液，严格防止任何异物进入光栅尺传感器壳体内部。 2）定期检查各安装联接螺钉是否松动、定期使用干燥的洁净布擦拭表。 3）光栅尺位移传感器严禁剧烈震动及摔打、踩踏，以免破坏光栅尺，如光栅尺断裂，光
栅尺传感器即失效了。 4）不要自行拆开光栅尺位移传感器，更不能任意改动主栅尺与副栅尺的相对间距，否则一方面可能破坏光栅尺传感器的精度；另一方面还可能造成主栅尺与副栅尺的相对摩擦，损坏铬层也就损坏了栅线，以而造成光栅尺报废。 5）应注意防止油污及水污染、硬物划伤光栅尺面，以免破坏光栅尺线条纹分布，引起测量误差。 6）光栅尺位移传感器应尽量避免在有严重腐蚀作用的环境中工作，以免腐蚀光栅铬层及光栅尺表面，破坏光栅尺质量。