光谱透过率实验(2012级)2.0

光谱透过率测量实验物体透过率是指物体透射的光通量与入射光通量之比，标志着物体传输光辐射能量的强弱，光谱透过率是指物体对某个波长的单色光的透过率。

随着科学的发展，光谱所贡献的力量越来越大，光谱学及光谱分析在各个领域的运用也越来越广泛，如物质成分检测，农作物病害虫检测，物质品质检测等等。

这些都主要是通过分析物质的吸收光谱或透射光谱来实现的，因此测量光谱透过率具有重要的意义。

透明、半透明物体（包括液体、玻璃等）的光谱透过率的测量具有重大的现实意义和应用价值，例如根据溶液浓度与光谱透过率的一一对应关系可以利用光谱透过率测量液体的浓度；根据滤光片的光谱透过率来评价滤光片的质量好坏；以玻璃为主要材料的光学系统的光谱透过率是系统能量传输的重要指标。

光谱透过率反映了整个光学系统的辐射光通量的损耗与成像质量的好坏以及成像质量好坏的参考标准。

本实验系统所搭建的平台既可以进行双光束双通道测量系统的设计与搭建，也可以进行普通的单通道测试系统搭建。

并运用所设计的光谱透过率测量实验系统测量透明、半透明物质的光谱透过率等。

实验目的1、加深对光栅单色仪、锁定放大器工作原理设计结构的理解。

2、掌握光栅单色仪、锁定放大器等光电检测仪器的应用。

3、学会设计光谱透过率测量系统的基本方法。

实验原理光谱透过率原理光是一种电磁波，当光波遇到有界面时会受到影响而引起反射和透射现象。

一般光学元件表面都镀有薄膜，光学镀膜是在光学元件上或独立基板上镀上特定的膜质来改变光波传递的特性，如眼镜镜片有不同颜色均是由镀膜所导致的。

因此光学元件具有光谱特性，也就具有光谱透过率。

在测量和计算透明物体或溶液的光谱和颜色特性时，也常要用到这一物理量。

光谱透过率表示从光学系统出射的辐射光通量与投射到光学系统的辐射光通量之比，光学系统光谱透过率一般用τ表示[6]，即：（1） 式中: 波长为λ、光通量为的单色光垂直入射到光学系统，由于光学系统对不同波长的光的透过能力不一样，所以透过光学系统的光强也不一样。

因此，搭建光谱透过率测试系统，主要目标就是测量出和。

相关检测原理在检测光谱透过率测量系统中的信号时，噪声是一种扰乱信号，它是限制和影响检测系统的灵敏度、精确性和重复性的重要因素。

为了将噪声所淹没的信号检测出来，通过考察和研究各种信号及噪声的规律发现，信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的结果，从而提出了“相关”的概念。

根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及积分器进行相关运算，从而将周期信号从噪声中检测出来，这就是所谓的“相关检测”。

相关检测可分为自相关检测与互相关检测。

互相关检测比自相关检测抑制噪声的能力强，并有一定的互相关增益，故抑制噪声的能力优于自相关。

互相关检测互相关检测原理图（如图所示）：互相关检测原理图’λF （）λF （）’100%（）（）（）F F λτλλ=⨯λF （）’λF （）’λF （）λF （）输入乘法器的是被含有噪声的信号和被延时的与被检测信号同频率的参考信号，最后积分器的输出为 ：（2） 是噪声与参考信号的互相关函数，参考信号和噪声是不相关的，随积分时间T 的延长而趋于零；是信号与参考信号的互相关函数，参考信号和信号是相关的，随积分时间T 的延长而趋于某一函数值。

互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号，当被测信号未知时，要取得与同频率的信号在某些情况下是困难的。

要做大量试验工作，才能确定，这时一般不采用互相关检测。

系统设计系统各部分介绍光谱透过率测量实验系统提供：低压汞灯：溴钨灯光源、光栅单色仪、聚光镜、分光镜、反光镜、斩光盘、光电池探测器、锁定放大器等构成，下面详细讲述测试系统的各组成器件及其原理。

光源低压汞灯点燃之后能发出较强的汞的特性光谱线，它有404.7nm 、546.1nm 、577nm 、579.1nm 几条特征谱线，根据这些谱线可以对单色仪的读数进行校准。

图1 低压汞灯光源 ()i n t () ()i i x t S t n t =+（）()i S t ()y t ()()()/2/21lim ()()T xy ny sy T T R τx t y t τdt R τR τT →∞-=-=+⎰()ny R τ()ny R τ()sy R τ()sy R τ()y t ()i S t ()i StGY-6高度可调溴钨灯光源（如图2所示），溴钨灯又称为卤素灯，它是被广泛使用的理想光源。

溴钨灯发光效率高，在光学仪器和电影放映等许多方面有广泛应用。

图2GY-6高度可调溴钨灯光源透镜由于溴钨灯光源发出的光比较发散，为了更有效的收集光能，采用凸透镜（如图3所示）对光源发出的光进行会聚，光源发出的发散光经过透镜之后聚焦。

图3两种凸透镜图片光栅单色仪1.单色仪工作原理光栅单色仪的光路结构如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1上。

S1处于M1的聚焦面上。

因此反射光为平行光束。

这束平行光束经闪耀光栅G分光后，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面反射经M2。

球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。

出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。

根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。

图1 WDG30型光栅单色仪原理图当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光束。

这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立的单色光的作用。

使用单色仪时首先要用标准光源对单色仪的读数进行校准，本实验光源采用的是低压汞灯。

分光镜分光镜可以将单色仪射出的单色光以一半反射一半透射的形式将单色光分成两束，一束光为参考光（单通道系统中为监测光），另一束为测试光，即被测物体置于该光路上。

由于分光镜并不是准确地将光以二分之一和二分之一的形式分光，故在实验前应先测量出分光镜的分光比，这样可以提高实验精度，分光镜实物（如图5所示）。

图5分光镜片与镜架图反光镜用来反射分光镜分出的光束以形成两束平行的光束（如图6所示）。

图6反光镜片与镜架图斩光盘斩光盘是一种由电子控制的风扇式轮叶，在选定的某个转速下，恒定的连续光束便被调制为一定频率的周期性断续光，并且斩光盘的透光时间与遮光时间相等，这样就可以将恒定的光源变成交变的光源。

光学斩光盘的作用就是使直流光信号变成交流光信号，交流辐射信号便于电子学处理。

光学斩光盘主要由机械架、光耦频率反馈、机械斩光片和速度控制电子学系统组成。

斩光盘的结构（如图7所示）。

有内孔外孔两个孔，在电机的带动下旋转，是连续光变成占空比为1:1的交流光信号，通常，斩光盘应放置在光电探测器的前方。

本系统使用的是的南京大学微弱信号检测中心研制的ND-4型可变频双参考斩光盘，其实物（如图3-6所示）。

图7斩光盘ND-4型可变频双参考斩光器主要技术指标如下：1．斩光频率范围：70Hz~1200 Hz/8 Hz~140 Hz2．频率显示误差：±0.01 Hz3．频率稳定度（预热1小时）：0.5%/小时4．参考输出：两路：内孔、外孔波形：方波幅度：-6V~+6V5．输出阻抗：1KΩ6．启动稳定时间（电机最高转速）：30秒（典型值）7．相位抖动：2孔：0.2°17孔：1.5°探测器光电池是一种根据光生伏特效应将光能转换成电能的一种光电转换器件。

光电池有许多的特性，光电池所选用的材料的不同决定了光电池的光谱特性，比如在可见光的光谱范围内，硒光电池有较高的灵敏度，选择合适的滤光片与硒光电池相配合，这样它的光谱灵敏度就和人的眼睛非常相近，于是就能用它来决定照度的大小。

硅光电池的应用范围是400nm到1100nm之间，峰值波长在850nm左右，所以它对色温为2854K的钨丝灯光源，可以得到非常好的光谱响应。

因此选用硒光电池作为探测器，其实物图（如图8所示）。

图8光电池探测器锁定放大器南京大学生产的HB-211型精密双相锁定放大器，它是一种新型正交锁定放大器，能准确测量被嗓声和干扰信号淹没的微弱信号，其同时使用了多点信号平均器和相敏检波器，能够检测被测信号同相分量和正交分量。

并具有动态范围大、漂移小等特点，锁定放大器实物图（如图9所示）。

图9 锁定放大器HB-211型精密双相锁定放大器技术指标a) 工作频率：5Hz~100KHzb) 测量量程（满刻度灵敏度）：100nV 1V 10V 100V1mV 10mV 100mV 1Vc) 输入短路整机噪声电压（1KHz ）：≤2nV/d) 不相干信号最大过载电平：≥1000FSe) 白噪声最大过载电平：≥300FSf) 输出直流漂移：≥5 FS/Hg) 输出总动态范围：≤120dB锁定放大器的使用1.信号输入被测信号可以有两个输入端A V ,B V 输入，它们为超低噪声前置放大器的两个输入端。

通过输入模式的选择，被测信号可以采用下列输入方式:单端输入模式：A V 输入(同相输入)、B V 输入(反相输入) 差分输入模式:A V -B V 输入(差分输入)具有共模抑制能力。

输入短路模式:A V 和B V 均接地，用于测量输入短路噪声，或保护输入级。

接上待测信号(传感器或其它微弱信号源)，根据待测信号的情况选择输入模式，如果是要单端输入的选用A 输入、差分输入的选用A-B 输入，通过功能设置键进行设置。

本实验采用单端A 输入模式。

2.接地端子在信号输入下方为仪器的接地端子。

由于本仪器输入端采用半浮地技术，对信号源、参考源和检测仪器之间的地线要进行合理的接地，被测信号、参考信号和仪器前置放大器的接地端须要用粗大地线连接，输入电缆尽量要短（本实验不需要粗大地线）。

3.时间常数的选择锁定放大器采用的是窄带抑制噪声技术。

等效噪声带宽B 。

反比于仪器的时间常T （12n B T =），时间常数越长，等效噪声带宽越小，即对噪声的抑制能力越强。

也就是说，锁定放大器能获得信噪比的改善是牺牲时间为代价的。

对于一个变化缓慢的信号，可以采用较长的时间常数进行测量，但对于一些变化较快的信号，在测量时要注意使用的时间常数与被测量变化速度相适应。

时间常数选得过短，则信噪比改善得不够，输出噪声较大。

时间常数选择得过长，虽信噪比改善得较好，但有可能把有用的变化信号也给平滑掉，而不能分辫。

另外，时间常数选择与被测信号的频率也有关系，特别在对低频信号测量时，时间常数应选得比较长。

4.参考模式f ，2f 的使用锁定放大器是用相干测量技术测量与参考信号频率同频的信号。

有些测量中，除了要测量基波外，还要测量二次谐波分量。

例如测量一些器件的非线性效应，微分电阻等。

为了这些测量在本仪器的参考通道中增加了一个f,2f 选择电路，由功能设置的参考模式控制。