大学物理实验课件 实验4.12 单色仪的使用

实验题目：单色仪的定标和光谱测量实验目的：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下图所示，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、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©（见图）时，光栅的闪耀角为a取一级衍射项时，对于入射角为©而衍射角为e时，光栅方程式为：d(sin H sin 0)=入式中N 为光栅的总线数，在本实验中 N 为64 *200=76800, m 为所用的光的衍射级次，本实验中m 二雹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。

实验数据及数据处理：（数据以文本文档中为准）■ ■ » 11、 光栅单色仪的定标 ----- 钠灯光谱与标准值之间误差：？？= --------------- =0.00%入Nd cos=d 9 = m d 入 d cos 9R= d x =mNFigure 1钠灯光谱主线系峰值数据： 1、589.0002、589.625实验报告589 .0BY 王有识页3实验报告?? =0.004%-|589 .625-589 .6|Figure 2钠灯光谱锐线系峰值数据： 1 、615.413 2 、616.050 与标准值之间误差：？？=--------------- =0.002%1615 413-615 .4|?? —6154---------- =0.008%1616.050-616 ,0|2 = 616.0Figure 3钠灯光谱漫线系1页4 BY王有识?? = ------------------ =0.006%1497.812-497 .78|?? 49778 =0.01%|498 .250-498 .2| 2=498.22、 低压汞灯光谱测量峰值数据：1、568.250 、568.825与标准值之间误差:??= =0.009%1568 .250-568 .3|与标准值之间误差:??568・3 ------ =0.006% |568 .7-568 .86|22=568 .86Figure 4钠灯光谱漫线系2峰值数据：1、497.812 2 、498.250实验报告Figure 5低压汞灯黄光强峰值数据：1、576.925 2 、579.050与标准值之间误差：??= =0.006%1576 .925-576 .96|?? 576・96------- =0.003%|579 .050-579 ,07|2二579.07Figure 6低压汞灯蓝绿光强峰值数据：1、491.637 与标准值之间误差：？？二 ------------- =0.008%|491 .637-491 .60|峰值数据： 1 、585.925ure 7低压汞灯2黄光589.000与标准值之间误差：??==0.0009%1585 .925-585 .92| ?? —585.92 =0.003%1589 .000 -589 .021本组实验由于测蓝绿光的弱光谱，而实验环境中并不是完全黑暗,难免会有光对实验产生干扰， 所以实验所得的图像很不理想， 但是还 是可以分辨出波峰。

北京科技大学实验报告单色仪实验目的：(1)了解单色仪的结构原理，学会使用平面光栅单色仪。

(2)测量平面光栅单色仪的分辨本领。

(3)利用单色仪测量干涉滤光片的光谱透射率曲线。

实验仪器：平面光栅单色仪、汞灯、钨灯、聚光灯、测试仪、光电倍增管、干涉滤光片等。

实验原理：1.平面光栅单色仪的结构原理光学系统主要由以下三部分组成：（1）入射准直部分由入射狭缝S1和抛物凹面镜M1组成，用以产生适用于光栅衍射的平行光束。

（2）色散系统平面光栅G构成色散系统，达到分光以后产生各种波长单色光的要求。

（3）出射聚焦系统由抛物凹面反射镜M1、平面反射镜M2和狭缝S2组成。

由光栅色散系统产生的单色光经由M1和M2反射作用后会聚至出射狭缝S2，产生窄光束的单色光。

2. 单色仪主机电路仪器主机内主要是步进电动机信号发生器电路，用来控制步进电动机的转动。

3.光电倍增管及测光仪广电倍增管是把微弱的输入光转换成电子，并使电子数获得倍增的电真空器件。

当光信号强度发生变化时，阴极发射出的光电子数发生相应的变化，由于各倍增极因子基本保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化。

4.滤光片滤光片对不同波长的投射能力不一样。

当波长为λ，光强I0(λ)的单色光垂入射在滤光片上时，透过滤光片的光强若为I T(λ)，我们定义其光谱透射率为若以白光为光源，出舍得单色光所产生的光电流与入射光光强、单色仪的光谱透射率和光电器件的光谱响应率成正比，即：现将光谱投射仪为的滤光片插入光路，放置在入射狭缝之前，在光电流变为：所以：实验内容与测量：1．分辨能力的测量：分辨能力的测量只涉及汞灯的两条黄谱线，因此，应该从两谱线的外侧开始扫描，途径两谱线的峰值，终止与另一谱线的外侧外侧。

2．测量滤光片的透射率：不加滤光片，开启扫描开关，从280nm开始正向自动扫描，至660nm止，观察光强的最大值在哪一波长附近，大小如何。

如果光强值不符合要求，扫描至光强最大值的附近，进行适当的调节，是的最大光强接近100。

单色仪的定标及应用单色仪是一种常用的分光仪器，利用色散元件把复色光分解为准单色光，能输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光，可用于各种光谱分析和光谱特性的研究，如测量介质的光谱透射率曲线、光源的光谱能量分布、光电探测器的光谱响应等，应用相当广泛。

【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中心波长的方法。

4. 学会测量发光二极管的波长。

【实验仪器】小型光栅单色仪，汞灯，卤素灯，显微镜，滤光片，会聚透镜，透镜夹发光二极管【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，把复色光分解成它的单色组成。

根据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，其应用的光谱区很广，从紫外、可见、近红外一直到远红外。

对不同的光谱区域，一般需换用不同的棱镜或光栅。

平面光栅单色仪的工作原理是光源发出的光均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦面上。

光经过M1平行照射到光栅上，并经过光栅的衍射回到M1，经M1反射的光经过M2会聚到S2出射狭缝上。

由于光栅的衍射作用，从出射狭缝出来的光线为单色光。

当光栅转动时，从出射狭缝里出来的光由短波到长波依次出现。

这种光学系统称为李特洛式光学系统，见图1所示。

图1光学系统图一般光源所辐射的光往往是由各种波长的光组成。

如果各种波长是连续变化的，那么这类光源称为连续光源。

由于光源的光谱分布与光的物质特性有关，因此测定光源的光谱分布是研究物质内部微观结构的重要工具之一。

单色仪的基本特性是其单色性和出射单色光的强度，实验中，一般总是希望出射的单色光的光谱宽度尽量窄（即单色性尽量好）和单色光的强度尽量高。

除了平面光栅的色散率的大小外，单色仪出射光的光谱宽度的宽窄主要由缝宽，衍射和像差等因素决定，其中像差在设计调整时已尽量减小。

在正常情况下，对单色仪来说，主要是解决缝宽和色差问题。

单色仪的调节和使用院系：07023 姓名：王曦泽学号：PB07210077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图1 光栅单色仪的分光系统光栅单色仪的分光系统如图1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。

当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。

当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为φ（见图2）时，光栅的闪耀角为θb （光栅面和光栅刻槽面的夹角，因此也是刻槽面法线和光栅面法线N 和n 之间的夹角）。

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(sin φ＋sin θ)= λ因此当光栅位于某一个角度时（φ、θ一定），波长λ与d 成正比，角度的符号规定由法线方向向光线方向旋转顺时针为正，逆时针为负。

几何光学的方向为闪耀方向，所以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，)(b b θθθφ---=-，所以有，φθθ-=b 2，光栅方程式改为，λφθφ=-+))2sin((sin b d本次实验所用光栅，为每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm —1000nm, 刻划尺寸为64⨯64mm 2。

当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm 。

由于此时入射角φ＝0，求得 58.21=b θ，再代入光栅方程式可以求得当入射角改变时实现不同波长光的闪耀，如 30,10,5=φ时，λ＝587nm ，600.5nm ，606.3 nm 。

3 狭缝是单色仪的关键部件，它的宽度范围是0—3mm ，每格为0.005mm仪器不工作时狭缝开启宽度应放在最小的位置。

在调节狭缝宽度时切记不要用力过猛和过快，要仔细缓慢的调到所要求的值。

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。

光栅单色仪的调整和使用PB07210200 刘炜清 第86组04号实验原理：一.光栅单色仪的结构和原理如下图所示，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、 电 火花、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳等。

如下图所示，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(sin φ＋sin θ)= 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)(b b θθθφ---=-，所以有φθθ-=b 2，光栅方程式改为：λφθφ=-+))2sin((sin b d 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：Dfa n λ=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。

实验内容及数据分析：1.测钨灯的光强分布曲线θλθcos Nd d = θλθθcos d m d d D == mN d R ==λλ（I为不加滤光片时的光强，I’为加滤光片时的光强）用软件分别对有无滤光片时的情况作图，得：图一：钨灯、无滤光片图二：钨灯、有滤光片2.测LED灯的光强分布曲线λ(nm) I（cd）λ(nm)I（cd）λ(nm) I（cd）λ(nm)I（cd）405 15 445 292 485 326 525 25 410 15 450 485 490 241 530 21 415 16 455 683 495 150 535 19 420 21 460 851 500 101 540 17 425 28 465 907 505 75 545 17（I为不加滤光片时的光强）用软件分别对有无滤光片时的情况作图，得：图三：LED 灯、无滤光片3.汞的波峰和分辨率的测量 由计算机软件控制测量，得：波峰 位置（nm ） 分辨律（nm ）2579.30240.1925由λλd R =得分辨本领为：=1R 2659.72， =2R 2669.72误差分析：实验所得分辨本领与理论值相差甚远，原因主要有如下几点： 1．实验室有其它微弱自然光干扰。

实验题目：光栅单色仪的调整和使用 4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：1．光源和照明系统； 2．分光系统：核心：闪耀光栅。

正是由于它的分光作用，当光栅转动时，出射狭缝出射的光由短波至长波依次出现。

(1)光栅方程式（取一级衍射项）：(sin sin )d f q l +=『q ：衍射角；f ：入射角；d ：光栅刻痕间距』当q ，f 一定时，d l µ，由几何光学，入射角与反射角相等，可得：()2b b b f q q q qq f-=---?-因此，()(sin sin 2)b d f q f l +-=(2)狭缝：不工作时，狭缝开启宽度应位于最小。

调节时要自习、缓慢。

缝宽过宽时，实际分辨率下降；过小时，光强太小，因此要调到最佳宽度！(3)光栅特性：谱线半角宽度：cos d Nd lq q =角色散率：cos d mD d d q q l q==光谱分辨本领：/R d mN l l ==【N ：光栅总线数；m:衍射级数】 注：在实际实验中，由于象差、杂散光、噪音影响，光源谱线增宽，半角宽度远大于理论值，则光谱分辨本领远小于理论值。

3．接收系统（光电倍增管）利用光电子发射效应和二次电子发射效应制的电流放大元件，适合微弱信号的检测。

理论值计算： 1．最佳狭缝宽度：576.96nm l =时，60.86/0.86576.96500/643.8810() 3.88n a f D nm mm mm m ml m -=?创=? 579.06nm l =时，60.86/0.86579.06500/643.8910()3.89n a f D nm mm mm m ml m -=?创=?2．理论分辨本领：164120076800R mN d ll===创=√ 数据处理：1. 对于滤光片的透过率：由实验数据可知，滤光片对不同波长的光的透过率是不一样的。

单⾊仪的调节与定标⼀．实验题⽬：单⾊仪的调节与定标⼆．实验⽬的：1.掌握棱镜单⾊仪的构造原理和使⽤⽅法2．掌握调节光路准直的基本⽅法和技巧3.以汞灯的主要谱线为基准，对单⾊仪在可见光区域进⾏定标三．实验仪器：反射式棱镜单⾊仪，低压汞灯（带镇流器），读数照明反射镜，读数照明⼩电珠（带变压器），聚光透镜（带底座），读数显微镜（带⽀架），长曲线绘图设备四．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，能输出⼀系列独⽴的、光谱区间⾜够狭窄的单⾊光，且所输出的单⾊光的波长可根据需要调节．主要有三部分组成：由⼊射缝S1和凹⾯镜M1组成⼊射准直系统，以产⽣平⾏光束；由玻璃棱镜 P组成⾊散系统，在它的旁边还附⼀块平⾯反射镜M，由凹⾯镜M2和出射缝S2组成出射聚光系统，将棱镜分出的单⾊平⾏光汇聚在出射缝上。

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．单⾊仪能输出不同波长的单⾊光，是依赖于棱镜台的转动才得以实现的．棱镜台的位置是由⿎轮刻度标志的，⽽⿎轮刻度的每⼀数值都是和⼀定波长的单⾊光输出相对应．因此，必须制作单⾊仪的⿎轮读数和对应光波波长的关系曲线——定标曲线（⼜称⾊散曲线），⼀旦⿎轮读数确定，便可从定标曲线上查知输出单⾊光的中⼼波长．单⾊仪定标曲线的定标是借助于波长已知线光谱光源来进⾏的．本实验⽤汞灯来做为已知线光谱的光源，在可见光区域（400 nm 760nm）进⾏定标．五．实验步骤：1. 汞灯光源与⼊射狭缝S1之间放⼀会聚透镜L1．调节光源与透镜的位置、⾼低和左右，使光源成像在S1上．2. 出射狭缝S2处直接⽤眼观察出射光，并转动⿎轮，可看到红、黄、蓝、紫⾊光依次通过．调节光源的⾼低、左右，使出射光位于S2的中央．3. 置显微镜于出射狭缝S2处，调节显微镜的⾼低、左右和前后位置，对出射狭缝S2聚焦，先清楚地看到出射狭缝S2，然后转动⿎轮再细调到出现细锐的光谱线，调显微镜中⼗字叉丝的竖丝位于S2缝中⼼．4.在正式测定校准曲线前，应先定性地观察全过程，以便认准谱线，即转动⿎轮，从红光到紫光再从紫光到红光，观察汞灯所有的谱线，认准谱线，然后再定量测量．5.测定校准曲线，以显微镜的竖丝为标准，缓慢转动⿎轮，使汞灯的各条谱线依次通过，记下⿎轮的读数R与其对应的波长λ．在坐标纸上作出单⾊仪的R－λ曲线．检验⽅法：1.光路调整⽤⽔平仪调整单⾊仪⽔平。

单色仪的调整和使用实验目的1.了解单色仪的结构原理，掌握标定单色仪的方法；2.利用单色仪测定滤色片的透射曲线。

实验原理与方法单色仪是一种常用的分仪器，适用于单色光的产生、光谱分析和光谱特性测量等方面。

仪器原理如图1 ，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。

图1 光栅单色仪的结构和原理本仪器光学系统为李特洛式光学系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高。

更换光栅方便。

光栅单色仪的核心部件是闪耀光栅，闪耀光栅是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的光栅（注1：由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是由该光栅复制的光栅），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集中了光的大部分能量，这样做可以大大提高光栅的衍射效率，从而提高了测量的信噪比图2当入射光与光栅面的法线N 的方向的夹角为ϕ（见图2）时，光栅的闪耀角为θb，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因此当光栅位于某一个角度时（ϕ、θ一定），波长λ与d成正比。

本次实验所用光栅（2号光栅，每毫米1200条刻痕，一级光谱范围为380nm—1000nm, 刻划尺寸为64⨯64mm2）。

当光栅面与入射平行光垂直时，闪耀波长为570nm。

由此可以求出此光栅的闪耀角为21.58︒。

当光栅在步进电机的带动下旋转时可以让不同波长以现对最强的光强进入出射狭缝，从而测出该光波的波长和强度值。

（注意计算时角度的符号规定和几何光学方向为闪耀波长的方向）实验内容首先了解光栅单色仪的原理、结构和使用方法。