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单色仪的定标实验报告单色仪的定标实验报告引言：单色仪是一种常用的光学仪器，用于分离出光束中的不同波长的光线。
在实际应用中，单色仪的准确性和精度对于研究光学现象和进行光谱分析非常重要。
本实验旨在通过定标实验，确定单色仪的波长刻度，从而提高其测量的精度和可靠性。
实验装置和原理：本次实验使用的单色仪是基于光栅原理的，其主要组成部分包括光源、光栅、光电二极管和波长选择装置。
光源发出的光经过光栅的衍射作用，被分离成不同波长的光线，然后通过波长选择装置选择特定波长的光线，最后被光电二极管接收并转化为电信号。
实验步骤：1. 准备工作：将单色仪放置在稳定的平台上，确保其与其他光学仪器保持一定的距离，以避免干扰。
打开电源，对单色仪进行预热。
2. 调整光源：根据实验要求选择合适的光源，如汞灯或氢氖激光器。
调整光源的位置和亮度，使其发出稳定的光束。
3. 调整光栅：将光栅安装在单色仪上，并调整其倾斜角度，使得光束通过光栅时能够发生衍射。
同时，调整光栅的位置，使得衍射的光线能够尽可能平行地通过波长选择装置。
4. 定标实验：选择一个已知波长的光源，如氢氖激光器，将其光线通过单色仪，并调整波长选择装置，使得光电二极管接收到该波长的光线。
记录下此时波长选择装置的位置，并标记为该波长的波长刻度。
5. 重复步骤4，使用不同波长的光源进行实验，记录下不同波长对应的波长刻度。
6. 分析数据：根据实验结果，绘制出波长与波长刻度的关系曲线。
可以使用线性回归等方法，拟合出波长刻度的数学表达式。
实验结果与讨论：根据实验数据，我们得到了波长与波长刻度的关系曲线。
通过拟合曲线，我们可以得到单色仪的波长刻度的数学表达式。
在实际应用中，我们可以根据该表达式，通过读取波长刻度，确定光线的波长，从而进行精确的光谱分析。
然而，需要注意的是，单色仪在实际使用中可能存在一定的误差。
这些误差可能来自于光源的不稳定性、光栅的制造误差、波长选择装置的精度等因素。
因此，在进行实际测量时，我们需要对单色仪进行定期的校准和维护，以确保其测量结果的准确性和可靠性。
单色仪的定标实验中汞光谱两条谱线的补充标定翟林华 征 洋 姚关心 金 伟 张洪涛 方 涛(安徽师范大学物理与信息工程学院安徽芜湖241000) 摘 要:讨论了普通物理光学实验有关教材中单色仪定标实验中定标所依据的汞光谱谱线标定问题,通过实验确定了实验可以明显观察到而未能标定的谱线,对原有教材有关内容给出了必要的补充.关键词:单色仪定标;汞光谱;谱线标定Two spectral lines supplemented to the Hg spectrum inthe monochromator scaling experimentZHAI Lin-hua ZHENG Yang YAO Guan-x in JIN WeiZHANG Hong-tao FANG T ao(Department of Physics and Info rmation,Anhui Normal University,Wuhu,Anhui,241000) Abstract:It is sug gested that tw o easily observable spectr al lines should be supplem ented to the Hg spectrum attached to the monochr omator scaling exper im ent in the lecture book,and their w avelengths have been sug gested based on the measurement and co nsulting the comprehensive Hg spectrumKey words:mo no chromator scaling;H g spectr um;spectral line scaling1 引 言光学实验中的单色仪定标实验是通过学生观察单色仪所给出的能够清晰观察到的汞光谱可见光的若干条较强的标定谱线对单色仪定标的.教材〔1〕列表给出了相关的汞光谱标定谱线以提供实验依据.这些谱线涵盖了汞光谱从紫光到红光的可见光部分,如表1所示.实际上通过单色仪除了可以观察到上述谱线以外,还可以明显观察到其它若干条谱线,除了其中强度较弱的以外,尚有与上述谱线强度相当的,处于重要光谱位置的其它谱线.具体说来,在教材标定的蓝绿色和绿色之间可以观察到波长约在500nm的两条谱线,谱线强度和已标定谱线的强度标准相比,强度应为弱谱线,但强于标定谱线中最弱的谱线,通过单色仪仍然可以明显观察到.由于这两条未标定谱线的存在,而且处于光谱显著的位置上,因而较为准确地标定这两条谱线对于这一实验是十分必要的.2 谱线的测定为了测定汞光谱中上述谱线的波长位置,实验中采用单色仪定标,实验所使用的高压汞灯为待定光源,以铁的发射光谱为标准,采用W-P1型1m光栅摄谱仪和1200痕/mm的透射光栅对中心位置在510nm的铁和汞一级光谱用全色胶片摄谱.摄谱采用的狭缝宽度铁光谱为10 m,汞光谱为20 m.仪器的光谱分辨率为0.8nm/mm.经过调整曝光条件,摄得蓝表1 汞灯主要光谱线波长表颜色波长/nm强度紫色404.66407.78410.81433.92434.75435.84强中弱弱中强蓝绿色491.60496.03(502.65)(504.58)强中弱弱绿色535.41536.51546.07567.59弱弱强弱黄色576.96579.07585.92589.02强强弱弱橙色607.26612.33弱弱红色623.44中深红色671.62690.72708.19中中弱绿光部分谱线如图1所示.图1 汞灯蓝绿光部分谱线照片上方为铁光谱,下方为汞光谱.通过和铁光谱的对比,可以看出,汞光谱较强的一对谱线中的左方第一条谱线波长为491.60nm,第二条波长为496.03nm ,均为表1中已标定谱线.它们左边较弱的两条谱线应为需要补充录入表1的有待确定波长的谱线.事实上这一点可以通过对比照片上的谱线间距和表1看出.待定谱线的波长可以通过对比标准铁光谱的已知谱线波长,采用内插法〔2〕较为准确的确定.图1照片上汞光谱左起第二条谱线在铁光谱波长为5027.3nm 和5022.3nm 的两条谱线之间;左起第一条谱线在波长为5049.9nm 和5041.8nm 的两条谱线之间.通过在阿贝比长仪上分别测定各谱线的相对位置,采用内插法,计算求得两条谱线波长值分别为502.62nm 和504.70nm,考虑到仪器精度和测量中谱线可能的定位误差,通过对比,发现从“光谱线波长表”〔3〕中查得标定的汞光谱谱线波长和教材〔1〕表1中数据基本一致(例外的是“光谱线波长表”〔3〕中没有标出496.03nm 的谱线),因而采用表〔3〕中谱线分别为502.65nm 和504.58nm 的相应波长数据作为参考数值可能更为合理(见表1中括号内数值).3 结 论普通物理单色仪定标实验教材所列出的作为定标依据的汞光谱表中,未能完全列出可以参照对单色仪定标的强度较大的谱线.建议在谱线波长表中补充列入波长分别为502.65nm 和504.58nm 的位于蓝绿色区域的两条谱线,以使教材更加完善.4 参考文献1 杨述武主编.普通物理实验(光学部分).北京:高等教育出版社,1993.98～1042 吴讠永华等.近代物理实验.合肥:安徽教育出版社,1987.73 冶金工业部科技情报产品标准研究所编译.光谱线波长表.北京:中国工业出版社,1971.679(2001-05-30收稿)。
单色仪定标实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过对单色仪的定标实验，掌握单色仪的原理和使用方法，以及了解单色仪的定标原理和步骤。
二、实验仪器和设备。
1. 单色仪。
2. 光源。
3. 样品。
三、实验原理。
单色仪是一种用于测量物质吸收、发射或透射光谱的仪器。
它通过将光分解成各个波长的组成部分，从而可以得到样品对不同波长光的吸收、发射或透射情况。
在定标实验中，我们需要确定单色仪的分辨率和灵敏度，以确保后续实验的准确性和可靠性。
四、实验步骤。
1. 准备工作，将单色仪和光源连接好，调节单色仪的波长范围和光强度。
2. 定标前的准备，将样品放入单色仪中，调节单色仪使其只通过一种波长的光。
3. 定标实验，记录样品对该波长光的吸收、发射或透射情况，然后逐步改变波长，记录各个波长下的光谱数据。
4. 数据处理，根据实验数据绘制光谱图，并分析样品在不同波长下的特性。
五、实验结果与分析。
通过实验，我们得到了样品在不同波长下的光谱数据，根据这些数据我们可以分析出样品对不同波长光的吸收、发射或透射情况，从而了解其特性和结构。
同时，我们也可以根据实验数据对单色仪的性能进行评估，确保其在后续实验中的准确性和可靠性。
六、实验总结。
通过本次实验，我们掌握了单色仪的定标原理和步骤，了解了单色仪在光谱测量中的应用，提高了实验操作能力和数据处理能力。
同时，也加深了对光谱仪器的理解，为今后的实验工作打下了坚实的基础。
七、实验感想。
本次实验让我深刻体会到实验操作的重要性，只有严格按照操作规程进行实验，才能得到准确可靠的数据。
同时，也要注重数据处理和结果分析，才能得出科学的结论。
希望今后能够继续努力，提高实验能力，为科学研究做出更大的贡献。
八、参考文献。
1. 《光谱学原理与仪器》。
2. 《实验室光谱分析技术手册》。
以上为本次单色仪定标实验的实验报告，谢谢阅读。
实验七 单色仪的定标和滤光片光谱透射率的测定实验目的1、了解棱镜单色仪的构造原理和使用方法；2、以汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区进行定标；3、掌握用单色仪测定滤光片光谱透射率的方法。
实验仪器反射式棱镜单色仪，溴钨灯（12V，50W），直流稳压电流，汞灯，硅光电池，灵敏电流计，低倍显微镜，滤光片，会聚透片（两片），毛玻璃。
实验原理单色仪是一种分光仪器，它通过色散元件的分光作用，把一束复色光分解成它的“单色”组成。
单色仪依采用色散元件的不同，可分为棱镜单色仪和光栅单色仪两大类。
单色仪运用的光谱很广，从紫外、可见、近红外一直到远红外，对于不同的光谱区域，一般需换用不同的棱镜或光栅。
例如应用石英棱镜作为色散元件，则主要运用于紫外光谱区，并需用光电被增管作为探测仪；若棱镜材料用NaCl（氯化钠）、LiF（氟化锂）、KBr（溴化钾）等，则可运用于广阔的红外光谱区，用真空温差电偶等作为光探测器。
本实验所用玻璃棱镜单色仪仅适用于可见光区，用人眼或光电池作为光探测器。
图16-1所用为反射式棱镜单色仪的结构示意图，其外壳是圆形的，下方有驱动棱镜台转动的丝杆和读数鼓轮，外侧装有缝宽可调的入射狭缝S1和出射狭缝S2。
其光学系统由下列三部分组成：1、入射准直系统由入射S1和凹面镜M1组成，因S1固定在M1的焦面上，它使S1发出的入射光束成为平行光束。
2、瓦兹渥斯（Wadsworth）色散系统由玻璃棱镜P 和平面镜M 联合组成一整体，安装在同一转台上，可以绕通过O 点垂直于图面的轴线（棱镜顶角的等分面和底面的交线）转动。
该系统的特点是平行光线通过后，以最小偏向角出射的单色光仍平行于原入射光。
即该系统为恒偏向色散装置。
3、 出射聚光系统由凹面镜M2和出射缝S2组成，它将色散后沿不同方向传播的单色平行光经M2反射后，会聚在M2的焦面，即出射缝S2的平面上，因S2缝宽较小，从S2输出的是波段很窄的光，通常称为单色光。
随着棱镜台绕O 轴转动，以最小偏向角通过棱镜的光束的波长也跟着改变，当最小偏向角由小变大时，从S2输出的单色光的波长将依次由长变短。
光栅单色仪的定标和光谱测量一、实验目的（1）：了解光栅单色仪的结构以及工作原理并熟练掌握其使用方法；（2）：掌握调节光路准直的基本方法和技巧，利用钠灯等标准光源对单色仪进行定标；（3）：测量红宝石、稀土化合物的吸收和发射光谱，加深对物质发光光谱特性的了解。
（4）：测量滤波片和溶液的吸收曲线，掌握测量其吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
二、实验原理（见预习报告）三、实验仪器光栅光谱仪(单色仪)是一个光谱分析研究的通用设备，其元件主要包括：光栅及反射镜，准光镜和物镜，入射出射狭缝旋钮，信号接收设备(光电倍增管/CCD)，计算机及软件系统，图7给出了典型光栅单色仪的结构图。
光栅光谱仪(单色仪)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，比如激光喇曼/荧光光谱仪。
光栅由计算机软件控制步进电机驱动，可以获得较高的精度。
从图7可知，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。
当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。
如果S2出射狭缝位置连接信号接收设备（光电倍增管/CCD ，），则可对出射光谱进行数据采集分析（部分内容请参考《大学物理实验》第二册中的“单色仪的使用和调整” ）。
本实验使用的仪器：WDS-8型组合式多功能光栅光谱仪，焦距f=500 mm.光栅条数：1200 L/mm 。
狭缝宽度在0-2 mm 连续可调，示值精度0.01 mm 。
光电倍增管的测量范围：200-800 nm ；CCD 的测量范围：300-900 nm 。
图7 光栅单色仪的结构和原理四、实验内容(1):光栅单色仪的定标单色仪的定标指的是借助于波长已知的线光谱光源来对单色仪测量的波长进行标定，校正在使用过程中产生的波长位置误差，来保证测量的波长位置的准确性。
定标用光源：氦氖激光器（632.8 nm）低压钠灯（589.0 nm和589.6 nm）要求设计和调整光路把光导入入射狭缝，测量时须找出合适的负高压值，并利用采集程序设定合理的测量范围获取双光谱线（钠灯）完全分离开的光谱曲线。
并记录负高压值和保存光谱曲线。
测量低压钠灯的光谱，钠原子光谱一般可观察到四个线系：主线系、第一辅线系（又称漫线系）、第二辅线系（又称锐线系）和柏格曼线系（又称基线系）。
由同一谱线的波数差即可得到钠的里德伯常数。
(该单色仪可测得谱线的精细结构，对精细结构处理后即可得到谱线波数)。
在仪器调整较好的情况下我们可测得主线系的589.0 nm和589.6 nm，锐线系的616.0 nm和615.4 nm以及漫线系的两对谱线568.3 nm和568.86 nm，497.78 nm和498.2 nm。
在实验报告处理时可由原子物理的知识可以计算求出钠的里德伯常数R。
（2）：高压汞灯光谱测量光源：高压汞灯要求设计和调整光路采用透镜聚焦法把光导入入射狭缝，测量时须找出合适的负高压值，并利用采集程序设定合理的测量范围获取高压汞灯的各个分立峰的的光谱曲线。
并记录负高压值和保存光谱曲线。
（3）：红宝石晶体的发射和吸收光谱的测量光源：氦氖激光器（632.8 nm），半导体激光器（650 nm），高压汞灯，溴钨灯（360-2500 nm），532 nm激光器红宝石是掺有少量Cr的Al203单晶，Cr的外层电子组态为3d54S1，掺入Al203晶格后，失去外层三个电子，变成三价的C r3+离子，红宝石晶体的光谱就是C r3+离子在3d壳上三个电子发生能级跃迁的反映，人们根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知C r3+离子参与激光作用的能级结构图如图2-1所示，图中4A2是基态，2E能级（14400 cm-1）是亚稳态，寿命比较长，约为3ms，4F1（25000 cm-1）和4F2（17000 cm-1）是两个吸收带，红宝石晶体的激光作用在2E和4A2能级之间产生，输出的波长是694.3nm，由于2E能级的电场分裂，在2E和4A2能级之间跃迁对应两条强荧光线R1和R2，R1线的波长是694.3 nm，R2线的波长是692.8 nm，由于高能级粒子数少于低能级，所以激光输出总是R1线。
红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同，吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性。
Cr3+所吸收中心波长为410.0 nm的兰紫光而跃迁到强吸收带4F1态，也能吸收波长为550.0 nm的黄绿光而跃迁到另一强吸收带4F2态,这两个吸收带的带宽都在100.0 nm左右,与氙灯或汞弧灯的光谱匹配较好。
要求自己设计和调整光路，并选取合理的负高压值，测量出红宝石的发射光谱和吸收光谱。
实验报告中要求分析红宝石晶体的发光原理以及应用。
（4）：滤光片的吸收曲线测量光源：溴钨灯（360-2500 nm）要求设计和调整光路，并在光路中插入滤光片，选取合适的负高压值，测量其吸收曲线。
实验报告中要求分析滤光片的性能和吸光特性。
（5）：罗丹明6G溶液的发射和吸收光谱测量光源：溴钨灯（360-2500 nm）532 nm激光器实验使用的激光染料晶体罗丹明6G的水溶液和乙醇溶液（5x10-3M），采用比色皿作为样品池。
要求设计和调整光路，并在光路中插入样品池，选取合适的负高压值，测量其吸收曲线。
实验报告中要求分析滤光片的性能和吸光特性。
（6）：LED灯的光谱测量光源：LED灯要求设计和调整光路，采用透镜聚焦方法，选取合适的负高压值，测量其光谱曲线。
实验报告中要求分析LED灯的发光的工作原理和应用。
五、实验数据1）光栅单色仪的定标及里德伯常数的计算实验测得Na有三个谱线系，其波长、半峰宽度和分辨本领分别为● 主线系589.000 nm/589.612 nm ，半峰宽度分别为：0.233nm ，0.225nm 分辨本领λλ∆为2528，2620 ● 锐线系616.138 nm/615.475 nm ，半峰宽度分别为：0.246nm ，0.246nm 分辨本领λλ∆为 2505，2502 ● 漫线系568.287 nm/568.838 nm 半峰宽度分别为：0.258nm ，0.233nm 分辨本领λλ∆为2203，2441 498.000 nm/498.425 nm 半峰宽度分别为：0.288nm ，0.255nm 分辨本领λλ∆为1729，1955 根据对应公式计算里德伯常数（波长取平均值)： ● 主线系()()22133s p R R λ=--∆-∆()()-17122111 1.141033s p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭ ● 锐线系()()22153s p RR λ=--∆-∆()()-17122111 1.131053s p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭ ● 漫线系()()2213d p RR n λ=--∆-∆，n=4,5()()-171122111 1.131043d p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭ ()()71222111 1.131053d p R m λ-⎛⎫ ⎪=⋅-=⨯ ⎪-∆-∆⎝⎭其中 1.35s ∆=，0.86p ∆=，0.01d ∆=理论值十分稳定，但与实际的711.096775810R m -=⨯仍有一定差距，故推理应该是公式的误差造成的。
2） 滤光片的吸收曲线测量上图是钨光灯的光谱图光路中加上蓝色滤光片后的光谱图为：可以看出在约530nm-690nm 之间的吸收率很大，几乎被完全吸收说明蓝色滤光片对不同波长的光的吸收系数是不同的。
其吸收曲线为：波长小于530nm时，光的能量过大，吸收效果几乎没有。
在波长位于530nm到690nm之间时，光的能量正好使滤光片中原子的电子发生跃迁，而且能量都足以激发基态原子，所以吸收系数很大。
到了大于690nm之后，光子能量不大，但是只能被非基态的原子吸收，所以虽有吸收，但吸收系数很小。
3）红宝石晶体的发射和吸收光谱的测量红宝石晶体的光谱就是C r 3+离子在3d 壳上三个电子发生能级跃迁的反映，图中两个波长的产生是由于发生了能级的分裂。
六、思考题1．如何求出入射狭缝的最佳宽度？答：缝宽增大时光的相干性降低，同时光强增大；反之，相干性提高则光强会减弱。
故狭缝则宽度要同时考虑到相干性要好，同时光强要足够大。
2．单色仪的理论分辨本领如何计算？怎样测量单色仪的实际分辨本领？ 答：理论分辨本领为N m λλ=⋅∆，实际分辨本领可以通过单色仪对一定波长差的光的分辨进行测量。
将一束具有波长差的光束射入单色仪，并进行光谱扫描，对其图像进行观察。
如果仍然可以分辨出两束具有不同波长的光的波峰波谷，则分辨率将大于此。
不断换上波长差较小的光束，知道从图像中观察不到波峰波谷为止，此时有δλλ=∆，即为最小分辨波长差。
或者通过测量一定固定波长λ的光，测量其半峰宽度λ∆，利用公式λλ∆求得分辨本领3．比较单色仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两者差别大的原因。
答：实验发现，实际分辨本领远远小于理论分辨本领1，狭缝宽度会影响光的空间相干性（横向），而理论分辨本领只考虑了时间相干性（纵向），所以理论分辨本领将会比实际大一些。
2，由光电倍增管放大的不均匀性，可能会形成误差。
3，光栅的刻度的准确性。
4，我们在计算理论但分辨能力假设的是标准的单色光光源，而这是理想情况，故也有光源本身的单色性问题。
4. 解释光电倍增管的工作原理，为什么随着副高压的绝对值越大，采集的灵敏度会显著提高？答：负高压增大时，对信号的放大也就大，因此采集灵敏度会提高5. 说明溴钨灯、钠灯和汞灯的光谱的区别和道理？答：三种灯的发光机理都大致相同，都是通过原子的激发，但是由于原子的结构不同，其各个能级的能量也就不同，发出的光的波长也就会不同。
七、实验思考与小结1.测量光谱时发现，原本应该是一条谱线的地方都变成了很接近的两条谱线，查阅相关资料发现，由于这些原子的结构已没有氢原子那么简单，会发生能级分裂，即塞曼效应。
原理是原子磁矩和外加磁场作用的结果。
计算中取了两者的平均值；2.实验中测量光谱时，图像经常会发生一些剧烈的抖动，这是干扰的结果，因此实验中需要关灯，并且尽量不去干扰光源发出的光，或是挡住一些外来的光，毕竟任何发射或是折射被接受的光都是干扰；3.实验中的光电倍增管的负高压不可调至过大，否则容易烧坏仪器；4.使用单色仪之前都需要复位与定标；5.对于钠光源和钨光源，需要仔细调整光路是射入狭缝的光强尽可能大，否则Na光的锐线系和漫线系比较难发现和测量；6.同时光源不可距离接收端太近，虽然或许能在一定程度上增大光强，但由于光源表面的形状和发光机制，光源的相干性就会降低。
