多功能光栅光谱仪(单色仪)构造图解读

最基础的光栅方程如下：(1-1)在大多数单色仪中，入口狭缝和出口狭缝位置固定，光栅绕其中心旋转。

因此，分离角D V成为常数，由下式决定，(1-2)对于一个给定的波长l，如需求得a和b，光栅方程(1-1)可改写为：(1-3)假定D V值已知，则a和b可通过式(1-2)、(1-3)求出，参看图1.1、1.2和第2.6节。

图 1.1 单色仪结构示意图 1.2 摄谱仪结构示意L= 入射臂长度AL= 波长l n处出射臂长度Bb=光谱面法线和光栅面法线的夹角HL=光栅中心到光谱面的垂直距离H1.2 角色散rad/nm (1-4)dβ = 两个不同波长衍射后角度的差值（弧度）dλ = 两个波长的差值（nm）1.3 线色散线色散定义为聚焦平面上沿光谱展开方向单位长度对应的光谱宽度，单位是nm/mm，Å/mm，cm-1/mm。

以两台线色散不同的光谱仪为例，其中一台将一段0.1nm宽的光谱衍射展开为1mm，而另一台则将10nm宽的光谱衍射展开为1mm。

很容易想象，精细的光谱信息更容易通过第一台光谱仪得到，而非第二台。

相比于第一台的高色散，第二台光谱仪只能被称为低色散仪器。

线色散指标反映了光谱仪分辨精细光谱细节的能力。

中心波长l在垂直衍射光束方向的线色散可表示为：nm/mm (1-5)式中L B为等效出射焦距长度，单位mm，而dx是单位间隔，单位mm。

参见图1.1。

单色仪中，L B为聚焦镜到出口狭缝的距离，或者当光栅为凹面型时光栅到出口狭缝的距离。

因此，线色散与cos b成正比，而与出射焦长L B、衍射级数k以及刻线密度n这些参数成反比。

对于摄谱仪而言，任一波长的线色散可通过衍射方向垂直光谱面的波长l其色散值经倾斜角(g)的余弦修正得到。

图1.2给出了“平场”摄谱仪的结构，n通常它同线阵二极管配合使用。

线色散：(1-6)(1-7)(1-8)1.4 波长和衍射阶次图1.3给出了摄谱仪中聚焦光谱面上光谱范围从200nm到1000nm的一级衍射谱。

光栅光谱仪实验讲义 一 实验目的 1、了解光栅光谱仪的工作原理 2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术 二 实验仪器 WDS 系列多功能光栅光谱仪,计算机 三 实验原理 光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。

光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。

它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G 、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。

衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。

它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试验射光栅。

相邻刻线的间距d 称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。

入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差(sin sin )s d αβΔ=±，α为入射角，β图1光栅光谱仪示意图为衍射角，则可导出光栅方程： (sin sin )d m αβλ±= (1.1) 光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d 联系起来，λ为入射光波长，m 为衍射级次，取等整数。

式中的“”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。

如果入射光为正入射0,1,2,±±L ±0α=，光栅方程变为sin d m βλ=。

衍射角度随波长的变化关系，时，出 称为光栅的角色散特性，当入射角给定可以由光栅方程导cos d m d d βλβ=， (1.2) 2变成复色平行光照射到光栅G 上，经光栅色散后，形成不同波长的平角度复色入射光进入狭缝S1后，经M 行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。

光栅G 安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。

光栅单色仪的调整和使用实验题目：光栅单色仪的调整和使用实验目的：了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、LED和汞灯的光谱了解单色仪的特点。

实验原理：一.光栅单色仪的结构和原理2、分光系统，3、接受系统。

单色仪的光源有：火焰、电火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。

如下图所视，当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为φ（见图）时，光栅的闪耀角为θ。

取一级衍射项时，对于入射角为φ，而衍射角为θ时，光栅方程式为：d(sinφ＋sinθ)= λ因此当φ、θ一定时，波长λ与d成正比。

几何光学的方向为闪耀方向，则可以算出不同入射角时的闪耀波长，由于几何光学方向为入射角等于反射角的方向，即)(bbθθθφ---=-，所以有φθθ-=b2，光栅方程式改为：λφθφ=-+))2sin((sinbd单色仪中等效会聚透镜的焦距f=500mm光栅的面积64⨯64mm2光栅的刻划密度为1200线/mm二、狭缝宽度缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小。

最佳狭缝宽度为：Dfanλ=86.0。

其中f为抛物镜的焦距，D是由光栅和抛物镜的口径限图1 单色仪的组成光源透镜分光系统接收系统系统制的光束的直径，实验中f ＝500mm ，D=64mm 。

根据光学的理论知识可知，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。

根据光学的理论知识可以知道，光栅的特性主要有：谱线的半角宽度、角色散率和光谱分辨本领。

理论上它们分别为：式中N 为光栅的总线数，在本实验中N 为64⨯1200=76800，m 为所用的光的衍射级次，本实验中m=1。

实验中由于光学系统的象差和调整误差，杂散光和噪声的影响，加上光源的谱线由于各种效应而发生增宽，所以实际的谱线半角宽度远远大于理论值，因此光谱仪的实际分辨本领远远小于76800。

数据及数据处理：焦距f=500mm.光栅的面积64⨯64mm 2 光栅的宽度D=64mm ，光栅的刻划密度为1200线/mm,1、最佳狭缝宽度D fa n λ=86.0=0.86×500 ×579.06/64 nm=3.891μm D fa n λ=86.0=0.86×500 ×576.96/64 nm=3.876μm2、理论分辨本领R=1×64×1200=76800m 为干涉级次，这里m=1，N 为光栅的总线条数。

单色仪的调整和使用实验目的：了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法，通过测量钨灯、钠灯和汞灯的光谱了解单色仪的特点。

实验原理：一、 光栅单色仪的结构和原理如图1 所示，光栅单色仪由三部分组成：1、光源和照明系统，2、分光系统，3、接受系统。

单色仪的光源有：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）、 电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。

光栅单色仪的分光系统如图2所示，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜M1的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。

图1 单色仪的组成透镜接收系统S1当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。

图2 所示为李特洛式系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高，更换光栅方便。

分光系统中的光栅是闪耀光栅，以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成光栅，由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是该光栅复制的光栅，它可以将单缝衍射因子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。

因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大即几何光学的方向集中了光的大部分能量，这个方向就是闪耀光栅的闪耀方向，使用闪耀光栅可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比。

二：单色仪外观图N入射光φ θbd衍射光-θ 图3 闪耀光栅的工作原理n-θb 图 4 单色仪外观图（1）入射狭缝 （2）出射狭缝 （3）出射狭缝前后调节螺钉 （4）波长显示器 （5）手动扫描旋钮 （6）仪器铭牌 （7）扫描速度旋钮 （8）扫描方向开关 （9）扫描启停开关 （10）电源指示灯 （11）报警灯 （12）电源开关 （13）本机/计算机转换开关 （14）前透镜 （15）钨灯 （16）导轨 （17）光电倍增管 （18）测光仪后面板 （19）测光仪前面板 （20）光电头电缆 （21）钨灯电缆 （22）计算机电缆理论值的计算:焦距f=500mm.光栅的面积64⨯64mm 2 光栅的宽度D=64mm ，光栅的刻划密度为1200线/mm1、 最佳狭缝宽度 由于汞灯是原子发光，所以它的光谱为间断的，理论可知它会出现两个波峰风别为576.96nm 和579.06nm 所以可得它的最佳狭缝宽度为D fW a o n λ86.0===0.86×500 ×579.06/64 nm=3.891μm D fW a o n λ86.0===0.86×500 ×576.96/64 nm=3.876μm 2、理论分辨本领Rm 为干涉级次，这里m=1，N 为光栅的总线条数。

WGD-8/8A型多功能光栅光谱使用
目的要求
1.了解光谱仪的结构原理，掌握定标光谱仪的方法；
2.测定氢光谱的巴尔末线系的波长，验算里德伯常数；
3.了解谱线自动测量方法；
实验仪器
WGD-8/8A型多功能光栅光谱仪、汞灯、氢灯及电源
实验原理
1. 光谱仪基本结构
本实验使用的WGD-8A型多功能光栅光谱仪，属于反射式光栅光谱仪，光路见图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 CCD接收
WGD－8/8A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。

入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm连续
1.对单色仪进行标定目的是什么？试总结制作单色仪校准
的关键。

2.标定单色仪时，未把读数显微镜的竖丝对准出射狭缝S2的
正中，对测量有什么影响？
3.从单色仪出射狭缝S2射出的光是真正的“单色光”吗？当
的S2宽度不变时，从S2射出来的红色光与紫色光所包含的∆是否相同？
波长范围λ
4.如何测定一滤色片（颜色玻璃）的透光率曲线？。

多功能光栅光谱仪的使用多功能光栅光谱仪（Multifunctional Grating Spectrometer）是一种用于光谱分析的仪器，通过将输入光束分散成不同波长的光线并测量其强度来研究物质的光谱特性。

本文将介绍多功能光栅光谱仪的基本原理、使用方法和应用领域。

多功能光栅光谱仪的基本原理是利用光栅的衍射效应将输入光束分散成不同波长的光线。

光栅是一种具有周期性结构的透明或不透明平面，其周期性结构可以将输入光束分成多个亮度不同的光束。

多功能光栅光谱仪通过选择合适的光栅结构和调节入射光角度，可以使不同波长的光线呈现在不同的角度上，从而实现波长的分离。

然后，可以使用光电探测器测量每个角度上的光线强度，进而得到光谱分布。

1.准备工作：首先，需要安装好多功能光栅光谱仪，将光谱仪与电源连接，并确保仪器处于正确的工作状态。

2.设置参数：根据实验需要，选择适当的光栅结构和入射光的角度。

通常，光栅的选择取决于要研究的波长范围和光谱分辨率的要求。

3.调节入射光：将入射光线引导到光栅上，并调节入射光的角度使其与光栅相交。

通常，光栅仪器上会标有入射光角的刻度，可以根据需要进行调节。

4.接收光信号：将光电探测器放置在正确的位置上以接收经过光栅分散的光线。

在测量过程中，可以使用示波器或光电多道计数器来记录光谱，或者使用计算机进行数据采集和处理。

5.数据分析：获取光谱数据后，可以进行进一步的分析。

根据需要，可以计算光谱的峰值位置、峰谷强度比以及光谱带宽等参数。

同时，还可以进一步分析光谱与物质的相互作用等。

1.光谱学研究：多功能光栅光谱仪可用于研究物质的吸收、发射、散射光谱等特性。

例如，可通过测量不同波长的光线强度来分析材料的组成、结构和变化。

2.光谱成像：多功能光栅光谱仪结合适当的成像装置，可以进行光谱成像。

通过以高空间分辨率获取光谱信息，可以实现对材料的局部成分和结构的准确分析。

3.光谱光学：多功能光栅光谱仪可用于光学元件的测试和校准。