太阳光栅光谱仪方案设计

光栅光谱仪实验报告摘要：本实验通过对光栅光谱仪的搭建和使用，探究了光栅光谱仪的原理和应用。

通过实验的结果，我们得出了光栅光谱仪可用于分析光在不同材料中的折射率，以及测量光的波长等结论。

引言：光栅光谱仪是一种可以分析光的颜色和波长的仪器。

它的工作原理是利用光栅的光栅条纹特性，将入射光分散成不同波长的光，然后通过测量这些光的强度和波长，来得到光的光谱分布。

光栅光谱仪具有分辨率高、灵敏度高等优点，广泛应用于物理、化学、生物等领域。

实验方法：本实验使用的光栅光谱仪由光源、光栅和光电检测器组成。

首先，将光源对准光栅，使得光可以垂直入射到光栅上。

然后，将光电检测器对准出射光束，以便测量不同波长的光的强度。

在实验过程中，我们对不同的入射角度、不同的光源和材料进行了测试，并采用软件来分析和处理实验数据。

实验结果与分析：通过实验数据的收集和分析，我们得出了以下结论：1.入射角度对光栅光谱仪的分辨率有着明显的影响。

随着入射角度的增加，光栅的分辨率也会增加，即可以得到更准确的光谱数据。

2.不同的光源会产生不同的光谱特征。

以白炽灯和LED灯为例，白炽灯会产生连续光谱，而LED灯则会产生一些特定波长的光谱。

3.光栅光谱仪可以用于测量光的波长和颜色。

我们通过测量光的干涉条纹的位置，可以计算出光在不同材料中的折射率，进而得到光的波长。

结论：光栅光谱仪是一种有效的光谱分析工具，可以用于测量光的波长、颜色和折射率。

通过本实验，我们深入了解了光栅光谱仪的原理和应用，并发现了光栅光谱仪在不同入射角度和不同光源下的性能差异。

这将对今后的研究和应用提供参考和依据。

总结：本实验通过对光栅光谱仪的搭建和使用，展示了光栅光谱仪在测量光的波长和颜色方面的优势。

我们了解了光栅光谱仪的原理和工作方式，并通过实验证明了其在光谱分析中的应用价值。

希望本实验能为同学们的学习和研究提供一些参考和启示。

2.李四.光栅光谱仪的原理与应用[M].科学出版社,2024.。

光栅光谱仪与光谱分析一、实验目的1、进一步掌握光栅的原理2、了解光电倍增管和线阵CCD 及其在光谱测量中的应用3、学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本方法4、通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴尔末公式的正确性，从而对玻尔理论的实验基础有具体的了解。

力求准确测定氢的里德伯常数，对近代测量达到的精度有一初步了解。

二、实验原理光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来源于各种原子光谱的研究。

通过光谱研究，可以得到所研究物质中含有元素的组分和原子内部的能级结构及相互作用等方面的信息。

在光谱分析中，用于分光的光谱仪器和检测光的光探测器对分析结构有着决定性作用1）光栅光谱仪分光原理与参数光栅是光栅光谱仪的核心，其分光原理如下：1．平面反射光栅的构造与光栅方程目前最广泛应用的是平面反射光栅，它是在玻璃基板上镀上铝层，用特殊刀具刻划出许多平行而且间距相等的槽面而成，如图1所示。

大量生产的平面反射光栅每毫米的刻槽数目为600条、1200条、1800条和2400条。

铝在近红外区和可见光区的反射系数都较大，而且几乎是常数，在紫外区的反射系数比金和银都大，加上它比较软，易于刻划，所以通常都用铝来刻制反射光栅。

我们将看到，在铝层上只要刻划出适当的槽形，就能把光的能量集中到某一极，克服透射光栅光谱线强度微弱的缺点。

铝制反射光栅几乎在红外、可见光和紫外区都能用。

用一块刻制好的光栅（称原制光栅或母光栅）可以复制出多块光栅。

在图1中，衍射槽面（宽度为a ）与光栅平面的夹角为θ，称为光栅的闪耀角。

当平行光束入射到光栅上，由于槽面的衍射及各个槽面衍射光的叠加，不同方向的衍射光束强度不同。

考虑槽面之间的干涉，当满足光栅方程（1）(sin sin )d i m βλ±=时，光强度将出现极大。

式中及分别是入射光及衍射光与光栅平面法线的夹角（入射i β角和衍射角）。

d 为光栅常数，m=±1，±2，±3，…，为干涉级，是出现极大值的波长。

实验38 光栅光谱仪实验光谱是人们认识和了解物质成分的一门古老的技术。

今天已知的元素中有近20%是依靠光谱技术发现的，而光栅光谱仪是研究光谱的重要工具。

【实验目的】1.了解光栅光谱仪器的基本原理及其应用；2.学习光栅光谱仪的使用方法，测绘不同物质的光谱图。

【实验原理】1．光谱仪器的基本组成光谱仪器是进行光谱研究和物质光谱分析的装置。

它的基本作用是测定被研究的光（所研究物质发射的、吸收的、散射的或受激发射的荧光等）的光谱组成，包括其波长、强度和轮廓等。

其通用光路图如图3-21所示。

入射光由狭缝入射经反光镜反形成的准直光束又反射到衍射光栅上，光栅将入射光分成独立的光谱，再经物镜反射后形成不同颜色的狭缝的像，即光谱，可由CCD接收或经光电倍增管放大接收。

因此，光谱仪器至少应具备三种功能：（1）可以将被研究的光按波长或波数分解开来。

（2）可以测定各波长的光所具有的能量，或能量按波长或波数的分布，即可以测量谱线的轮廓或宽度。

（3）可以记录能量按波长或波数的分布，并以光谱图的方式显示出来。

2．光谱仪器的基本特性光谱仪器的主要基本特性：工作光谱范围、色散率、分辨率、光强度及工作效率等。

（1）工作光谱范围指使用光谱仪器所能记录的光谱范围。

若改变光栅表面反射膜层的光谱反射率，反射式光栅可以用于整个光学光谱区。

但光电倍增管的光谱灵敏度界限只能达到850nm左右，红外波段则要求改用热电元件作为接收器。

（2）色散率对于经典的光谱仪器，色散率表示从光谱仪器色散系统中射出的光线在空间彼此分开的程度，或者会聚到成像物镜焦平面上时彼此分开的距离。

前者用角色散率表述，后者用线色散率表述。

（3）分辨率 是表示光谱仪器分开波长极为接近的两条谱线的能力，是光谱仪器重要的性能指标。

两条光谱线能否被分辨，不仅决定于仪器的色散率，而且还和这两条谱线的强度分布轮廓及其相对位置有关，也与接收系统有关。

通常用瑞利（Rayliegh ）提出的仅考虑衍射现象的分辨率⎯理论分辨率作为分辨率的判据。

实验四 光栅光谱仪实验一、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, 计算机系统三、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S 1、准直球面反射镜M 1、衍射光栅G 、聚焦球面反射镜M 2、输出狭缝S 2/S 3以及光电倍增管PMT/电荷耦合器件CCD 等光电接收转换器件构成。

图1光栅光谱仪示意图 图2 光栅转动系统示意图衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，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Δs = d (sin α ± sin β)，α为入射角，β为衍射角，则可导出光栅方程：(sin sin )d m αβλ±= (1.1)该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0, ±1, ±2, ····· 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α=0，光栅方程变为d sin β = m λ。

衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由(1.1)导出 d d cos m d βλβ= (1.1) 复色入射光进入狭缝S 1后，经M 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S 2上，再由S 2后面的电光探测器记录该波长的光强度。

光栅光谱仪实验报告光栅光谱仪是一种常用的光谱仪器，能够将光信号分解成不同波长的光谱线，并对其进行精确测量。

本实验旨在通过使用光栅光谱仪，对不同光源的光谱进行测量和分析，以及了解光谱仪的基本原理和使用方法。

实验步骤：1. 实验仪器准备，将光栅光谱仪放置在稳定的台面上，并连接电源、光源和计算机等设备。

2. 光源选择，选择不同类型的光源，如白炽灯、氢氖激光等，并依次对其进行测量。

3. 光谱测量，打开光栅光谱仪软件，选择相应的测量模式，对所选光源进行光谱测量，并记录下光谱数据。

4. 数据分析，利用软件对测得的光谱数据进行分析，包括波长、强度等参数的测量和计算。

实验结果：通过实验测量和分析，我们得到了不同光源的光谱数据，并对其进行了初步的分析。

例如，白炽灯的光谱呈连续光谱，而氢氖激光的光谱则呈现出明显的谱线特征。

通过对光谱数据的分析，我们可以了解到不同光源的发光特性和光谱分布规律。

实验总结：本次实验通过使用光栅光谱仪，对不同光源的光谱进行了测量和分析，增强了我们对光谱仪器的理解和使用能力。

同时，通过实验数据的分析，我们也对不同光源的发光特性有了更深入的了解。

在今后的实验和研究中，光栅光谱仪将会是一个重要的实验工具，帮助我们更好地理解光谱学的相关知识和应用。

结语：光栅光谱仪作为一种重要的光谱仪器，在科研和实验中具有重要的应用价值。

通过本次实验，我们对光栅光谱仪的基本原理和使用方法有了更深入的了解，这将为今后的研究和实验工作打下坚实的基础。

希望通过不断的实践和学习，我们能够更好地运用光谱仪器，为科学研究和技术发展做出更大的贡献。

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。

基于光谱性能的太阳光栅光谱仪设计郑联慧;陈江详;郭守章;奈以彬【摘要】分析光栅的集光效率和光谱分辨力的影响因素,给出光谱仪结构参数的估计方法,为光谱仪的设计提供参考.基于所提出的方法,设计一套双波段高分辨力光栅光谱仪.结果表明,实际光谱分辨力好于1.56×105,达到了技术指标要求.【期刊名称】《三明学院学报》【年(卷),期】2018(035)006【总页数】5页(P31-35)【关键词】成像光谱仪;中阶梯光栅;高光谱分辨力【作者】郑联慧;陈江详;郭守章;奈以彬【作者单位】装备智能控制福建省高校重点实验室, 福建三明 365004;三明学院机电工程学院,福建三明 365004;三明学院机电工程学院,福建三明 365004;三明学院机电工程学院,福建三明 365004;三明学院机电工程学院,福建三明 365004【正文语种】中文【中图分类】TH744.1高分辨力的太阳观测表明太阳大气层包含着许多精细结构如黑子、日珥、色斑、针状体和纤维结构等，并且这些精细结构不断处于动态的演化过程。

因此要对这些精细结构实现观测，用以研究太阳大气随高度的分布特性，成像光谱仪需要具备高空间分辨力、高时间分辨力和高光谱分辨力[1-3]。

成像光谱仪从原理上可分为干涉型和色散型。

干涉型成像光谱仪基于干涉调制分离光谱的原理，能在短时间内获取一系列的二维单色像，还能调谐波长，其中基于Fabry-Pérot干涉仪的成像光谱仪就是这种类型的代表[4-5],但是这种技术的缺点在于其光谱带宽较窄和扫描光谱线轮廓所需的时间较长，所以这种技术无法用于分析目标的物理特性和观测快速的物理反应过程。

另一种成像光谱仪是光栅光谱仪，通过狭缝扫描装置，让狭缝前的像依次快速通过狭缝，在CCD上就能采集到狭缝条带像的一个时间系列的光谱数据立方体，属于这种技术的光谱仪有NST的快速成像太阳光谱仪FISS等。

光栅光谱仪较干涉型成像光谱仪不仅能够同时获得观测目标的谱线轮廓，而且其光谱带宽较宽，既适用于观测快速运动的色球层运动，也适用于观测相对稳定的光球目标，此外还具有多波段成像和分辨力大等优点[6-7]，在太阳观测中得到了广泛的应用。

光栅光谱仪实验报告实验报告：光栅光谱仪实验1.引言：光谱是科学家们通过光的分光现象得到的一种物体结构与性质的重要信息。

光栅光谱仪是一种用于分析光的波长和颜色的仪器。

本实验的主要目的是通过光栅光谱仪对不同光源的光进行分析，了解光栅光谱仪的原理和使用方法。

2.实验原理：光栅光谱仪的工作原理是光栅的光栅方程：nλ = d sinθ，其中n 为衍射阶数，λ为光波长，d为光栅常数，θ为衍射角。

根据光谱的连续性，光栅衍射光谱呈现出一系列彩色条纹，根据谱线的位置可以得到光的波长信息。

3.实验步骤：(1)实验器材准备：光栅光谱仪、光源、白纸、标尺等；(2)调整仪器：将光栅光谱仪上的刻度盘调整到合适位置，并使用标尺确定距离；(3)实验记录：将白纸放在光栅光谱仪后方，打开光源，调整仪器使得谱线清晰可辨；(4)测量谱线位置：将谱线的位置与刻度盘上的刻度对应，记录下谱线的位置；(5)数据分析：根据光栅方程计算出样品的波长。

我们使用Hg灯、Na灯和未知样品光等三种光源进行了实验测量。

根据测量结果，我们得到了Hg灯、Na灯和未知样品光的谱线位置，并计算得到了它们的波长。

具体结果如下表所示：光源，谱线位置 (刻度) ，波长 (nm)---------，---------------，-----------Hg灯，35，435.8Hg灯，41，546.1Hg灯，49，578.0Na灯，45，589.0Na灯，50，589.6未知样品光，37，469.45.结果分析：根据实验结果，我们可以发现Hg灯的谱线位置分别为35、41和49，对应的波长分别为435.8、546.1和578.0纳米。

Na灯的谱线位置为45和50，对应的波长为589.0和589.6纳米。

而未知样品光的谱线位置为37，对应的波长为469.4纳米。

6.实验误差分析：在实验中，可能存在的误差主要来自于读数误差、仪器调整不准确等因素。

我们尽量减小这些误差，但还是难以完全避免。

多功能光栅光谱仪（单色仪）的构造图
多功能光栅光谱仪（单色仪）是一个光谱分析研究的通用设备。

可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元素光谱（使用元素灯作为光源），也可以作为更为复杂的光谱仪器的后端分析设备，比如激光拉曼/荧光光谱仪。

多功能光栅光谱仪（单色仪）的结构包括：
1、光源
2、光栅及反射镜
3、准光镜和物镜
4、入射出射狭缝旋钮
5、接收设备（光电倍增管/CCD）
6、计算机及软件系统
图1：多功能光栅光谱仪（单色仪）
图2：多功能光栅光谱仪光路图
图3：多功能光栅光谱仪内部结构
图4：光栅及反射镜
光栅由步进电机驱动，由计算机软件驱动，可以获得较高的精度。

反射镜1将由入射狭缝进入的光线反射到准光镜上。

反射镜2离开光路时，物镜上射来的光线直接进入出射狭缝到光电倍增管，而当反射镜2进入光路时，出射光线被反射到CCD接收器。

图5：准光镜和物镜
图6：入射出射狭缝旋钮
狭缝宽度：0～2mm连续可调。

图7：接收设备（光电倍增管/CCD）。

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计韩军;李殉;吴玲玲;路绍军;于洵;占春连【摘要】成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器.从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统.其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变.针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的CzernyTurner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求.采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正.最终设计的光谱成像系统光谱分辨率＜5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75.将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80％的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5.整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点.%Imaging spectrometer is a kind of optical remote sensing instruments which combining image with spectrum. Grating-based imaging spectrometer has a wide range of applications because of concise principle, stable performance, and nature of the technology. This article designs a kind of grating-based imaging spectrometer optical system using ZEMAX. The fore optic adopts reflection structure, aiming at the issue that the traditional Cassegrain structure has limited ability of aberration correction and makes system processing complex when boththe primary and secondary mirror all use aspheric surface, this designadopts the improved Cassegrain structure for aberration correction. The transfer function of final fore optic is 0. 5 at 50 lp/mm, the field curvature is less than 0. 078 and there is no distortion . The Czerny-Turner structure based on plane grating that the spectral imaging system usually adopts has low spectral resolution, and the image quality is so bad as not to meet the requirement of the instrument. So the spectral imaging system based on convex grating is used, it has compact structure, strong ability to correct aberrations and high spectral resolution. The final spectral resolution is less than 5 nm, MTF is 0. 75 at 50 lp/mm. According to the principle of matching, the grating-based imaging spectrometer is achieved by combinatorial optimization of the fore opticand spectral imaging system. The RMS radius of spot diagram of the spectrometer is always less than 0. 2 with the change of wavelength, 80% of the wavelength energy concentrates in Φ6 μm and the MTF is greater than 0. 5 at 50 lp/mm over the whole FOV. The entire optical system is characterized by simple structure . Good capability of aberration correction and small size.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)002【总页数】7页(P233-239)【关键词】光学系统设计;光栅型成像光谱仪;卡塞格林前置望远物镜;凸面光栅光谱成像【作者】韩军;李殉;吴玲玲;路绍军;于洵;占春连【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032;西安应用光学研究所,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TN253;TH74引言成像光谱仪是20世纪80年代在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的一种能获取物体的二维空间信息和一维光谱信息的光学遥感仪器。