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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。
单色仪的定标和光谱测量实验（1321室）实验要求：实验前准备认真预习（1）认真阅读实验讲义或实验教材（2）准备预习报告注明：1、加入自己对实验原理的理解；2、实验课时必须带来，作为当堂打实验操作分的依据；3、认真预习者方可进入实验室进行操作准时进入实验室（1）不准迟到，请假需要提前上交书面申请（2）注意保持实验室卫生（3）严禁携带零食，注重仪表！例如：不穿拖鞋等行为（4）雨天请将雨伞放置在实验室门外仔细阅读听讲（1）认真听讲每个仪器的名称，作用及使用方法（2）阅读实验指导书实验进行时严肃认真，不得在实验室内打闹、嬉戏！严格遵守操作规程，严禁手碰透镜等光学仪器的光学面不得直视激光，以免损伤视网膜！严禁损坏仪器经指导老师签字或同意后，并清洁整理完毕方可离开！实事求是（1）认真观察、分析实验现象（2）如实记录实验数据，不得抄袭勇于创新积极思考并提出自己的建议或意见实验结束后及时认真完成实验报告！（实验目的、内容、实验原理、实验仪器、实验操作步骤、实验结果（包括数据处理分析和现象分析）、回答思考题）下次上课时必须交上，不得延误！单色仪的定标和光谱测量实验（1321室）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。
实验简介单色仪（monochromator）是指从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
按照色散元件的不同可分为两大类：以棱镜为色散元件的棱镜单色仪和以光栅为色散元件的光栅单色仪。
单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜时被分解成七色光的彩色光光谱，牛顿首先将此分解现象称为色散。
1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并研究发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。
单色仪定标实验报告实验目的，通过单色仪定标实验，掌握单色仪的使用方法，了解光的色散规律，掌握用单色仪测定光的波长的方法。
实验仪器，单色仪、汞灯、钠灯、氢灯、汞镁灯、透射光栅、测微目镜、波长计。
实验原理，单色仪是一种用来分离和测定光谱的仪器。
当白光通过单色仪时，不同波长的光被分散成不同的角度，形成光谱。
利用透射光栅，可以将光谱中的各个波长分离开来，然后用测微目镜和波长计来测定各个波长的位置，从而得到光的波长。
实验步骤：1. 调整单色仪，将单色仪放在实验台上，调整仪器使得入射光垂直射入单色仪的入射口，并使得出射光垂直射向透射光栅。
2. 测定汞灯谱线，打开汞灯，调整单色仪使得汞灯的光谱线通过透射光栅，用测微目镜和波长计测定各个谱线的波长。
3. 测定钠灯谱线，同样的方法，测定钠灯的光谱线的波长。
4. 测定氢灯谱线，同样的方法，测定氢灯的光谱线的波长。
5. 测定汞镁灯谱线，同样的方法，测定汞镁灯的光谱线的波长。
实验结果：汞灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 450 波长 579.1nm。
谱线2，位置 550 波长 576.9nm。
谱线4，位置 750 波长 491.6nm。
谱线5，位置 850 波长 435.8nm。
钠灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 460 波长 590.0nm。
谱线2，位置 560 波长 589.4nm。
谱线3，位置 660 波长 588.9nm。
谱线4，位置 760 波长 587.1nm。
谱线5，位置 860 波长 589.6nm。
氢灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 470 波长 656.3nm。
谱线2，位置 570 波长 486.1nm。
谱线3，位置 670 波长 434.0nm。
谱线4，位置 770 波长 410.1nm。
谱线5，位置 870 波长 397.0nm。
汞镁灯的谱线位置及波长：谱线1，位置 480 波长 435.8nm。
谱线2，位置 580 波长 404.7nm。
谱线3，位置 680 波长 365.0nm。
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。
光栅单色仪实验报告实验人：宋易知指导老师：白在桥实验日期：2015.6.8【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) 利用单色仪测量干涉滤光片的光谱透射率曲线。
【实验仪器】WGD-5型光谱光栅仪，装有软件的电脑，溴钨灯，滤色片及汞灯等。
【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.滤光片的透射率滤光片对不同波长的透射能力不一样。
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IT(λ)，我们定义其光谱透射率为T(λ)=I T(λ) I0(λ)若以白光为光源，出舍得单色光所产生的光电流i0(λ)与入射光光强I0(λ)、单色仪的光谱透射率T0(λ)和光电器件的光谱响应率S(λ)成正比，即：i0(λ)=KI0(λ)T0(λ)S(λ)现将光谱投射仪为T(λ)的滤光片插入光路，放置在入射狭缝之前，在光电流变为：i T(λ)=KI0(λ)T(λ)S(λ)所以：T(λ)=i T(λ) i0(λ)【实验过程与数据处理】1.利用汞灯校准波长将范围选为350~600进行扫描，获得结果如图。
寻峰发现共有9个能量高于50的峰，峰值对应波长如下对照发现相差小于1nm，无须校准。
光栅单色仪的定标和光谱测量实验实验目的：（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。
实验简介单色仪（monochromator）是指从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。
按照色散元件的不同可分为两大类：以棱镜为色散元件的棱镜单色仪和以光栅为色散元件的光栅单色仪。
单色仪的构思萌芽可以追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜时被分解成七色光的彩色光光谱，牛顿首先将此分解现象称为色散。
1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并研究发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。
棱镜的色散起源于棱镜材料折射率对波长的依赖关系，对多数材料而言，折射率随着波长的缩短而增加（正常色散），及波长越短的光，在介质中传播速度越慢。
1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计完成较完善的现代光谱仪—这标志着现代光谱学的诞生。
由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。
光栅光谱仪是利用衍射作为光学元件用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，光栅光谱仪具有比棱镜单色仪更高的分辨率和色散率。
衍射光栅的可以工作于从数十埃到数百微米的整个光学波段，比色散棱镜的工作波长范围宽。
此外在一定范围内，光栅产生的是均排光谱，比棱镜光谱的线性要好的多。
它也可以从复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中提取单色光，即通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。
因此可以进行复合光源的光谱质量分析。
实验原理光栅光谱仪是利用衍射作为色散元件，因此光栅作为分光器件就成为决定光栅光谱仪的性能的主要因素。
1、衍射光栅：现代衍射光栅的种类非常多，按照工作方式分为反射光栅和透射光栅；按照表面形状可分为平面光栅和球面光栅；按照制造方法可分为刻划光栅、复制光栅和全息光栅；按照刻划形状可分为普通光栅、闪耀光栅和阶梯光栅等。
单色仪的定标与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，汞灯，硅光电池，灵敏电流计，低倍显微镜，滤光片，会聚透镜，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。
若采用石英棱镜作为色散棱镜，主要应用于
紫外光谱区，
并用光电倍增管作为探测器；棱镜材料用NaCl、LiF或
KBr等，则可用于广阔的红外光谱区，用真空热电偶等作
为光探测器。
本实验为玻璃棱镜单色仪，仅适用于可见光
区，用人眼或光电池作为光探测器。
图1所示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S
1和出射狭缝S
2。
其光学系
统由下列三部分组成：1．入射准直系统
由入射狭缝S
1和凹面镜M
1
组成，因S
1
固定在M
1
的
焦面上，它使S
1发出的入射光束经M
1
后成为平行光束。
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，安装在同图1
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束通过后，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M
2和出射缝S
2
组成，它将色散后沿不同方向传播的单色光经M
2
反
射后，会聚在M
2的焦面，即出射缝S
2
的平面上，因S
2
缝宽较小，从S
2
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S
2
输出的单色光的波长将依此由长变短。
单色仪能输出不同波长的单色光，是依赖于棱镜台的转动而实现，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。
练习一单色仪的定标
单色仪出厂时，一般都附有定标曲线的数据或图表供查阅，但经过长期使用或重新装调后，数据会发生变化，需重新定标，以对原数据进行修正。
单色仪的定标是借助于波长已知的线光谱以获取对应的鼓轮读数。
为了获得较多的点，必须有一组光源。
通常采用汞灯、氢灯、钠灯、氖灯以及用铜、锌、铁做电极的弧光光源等。
本实验选用汞灯作为已知线光谱的光源，在可见光区域（400nm—760nm）进行定标。
在可见光波段，汞灯主要谱线的相对强度和波长如图2及表1所示。
表1 汞灯主要谱线波长表
【实验内容】
1．观察入射狭缝和出射狭缝的结构，了解缝宽的调节、读数以及狭缝使用时的注意事项，选取适当的缝宽以获取足够的强度及较好的单色性。
2．在入射狭缝前放置汞灯，为了充分利用进入单色仪的光能，光源应放置
在入射准直系统（S
1和M
1
）的光轴上。
使入射狭缝减小到50m
，再在光源与入
射缝之间加入聚光透镜，适当选择透镜的焦距和口径，使其相对口径与仪器的相对口径（1：7）匹配。
这样，可获得最大亮度的出射谱线，同时又减少了仪器内部的杂散光。
调节聚光透镜的位置，用一块毛玻璃置于出射狭缝处，使毛玻璃上
呈现的谱线最明亮。
3．将低倍显微镜置于出射
狭缝处，对出射狭缝S
2
进行调
焦，使显微镜视场中观察到的
汞谱线最清晰。
为使谱线尽量
细锐并有足够的亮度，应使入
射缝S
1
尽可能小，保证汞灯的
两条黄色的亮谱线分开，出射狭缝可适当大些。
根据可见光区汞灯主要谱线的波长、颜色、相对强度和谱线间距辨认谱线。
并选表1中打“*”者为定标谱线。
图2
4．使显微镜的十字叉丝对准出射狭缝的中心位置，缓慢地转动鼓轮，直到各谱线中心依次对准显微镜的叉丝时，分别记下鼓轮读数（L ）与其所对应的波长（λ）。
为了避免回程差，应采用从紫光到红光（或相反）的过程，重复测量几次，取其平均值。
5．以光谱线波长（λ）为横坐标，鼓轮读数（L ）为纵坐标画曲线，即能得到单色仪的定标曲线。
练习二 用单色仪测定滤光片的光谱透射率
当波长为λ、光强为)(0λI 的单色光束垂直入射于透明物体上时，由于物体对不同波长的光的透射能力不同，透过物体后的光强)(λT I 也不同。
通常定义物体的光谱透射率)(λT 为
)()
()(0λλλI I T T =
若以白炽灯为光源，出射的单色光由光电池接收，用灵敏电流计显示其读数，则出射的单色光所产生的光电流)(0λi 与入射光强)(0λI 、单色仪的光谱透射率
)(0λT 和光电池的光谱灵敏度)(λS 成正比，即
)()()()(000λλλλS T kI i =
式中k 为比例系数。
若将一光谱透射率为)(λT 的透明物体（滤光片）插入被测光路，则相应的光电流可表示为
)
()()()()()()()(000λλλλλλλλS T T kI S T kI i T T ==
由以上两式可得
)()
()()()(00λλλλλi i I I T T T =
=
本实验要求用单色仪测定滤光片的光谱透射率)(λT ，作出)(λT -λ曲线，并求出光谱透射率的半宽度——透射率降到最大值一半时的波长范围。
【实验内容】
1．按图3所示安排好实验仪器，光源用白炽灯，它的发射光谱是连续光谱。
选择适当的缝宽（S 2应尽量的小，
S 1可适度改变）。
2．转动鼓轮，使单色仪输出中心波长为690nm 。
不加滤光片，记录电流计偏转格数)(0λi （调节S 1使其尽量大），加上滤光片时偏转为)(λT i 。
求滤光片对该波长的透射率)(λT 。
3．继续转动鼓轮，使输出中心波长从690nm 向紫光区移动，每隔一定的波长间隔（约20nm ）测量一次，求出透射率)(λT 并记录波长λ。
4．作)(λT -λ曲线，求出光谱透射率的半宽度。
也可选用汞灯作为光源，分别测出435.84nm ，491.60nm(或496.03nm)，546.07nm ，576.96nm(或579.07nm)，623.44nm 五条谱线滤光片的透射率,重复以上过程。
图3
5．注意事项：
（1）狭缝是单色仪的精密元件，使用时要特别小心。
旋转测微螺旋时，操作要慢些，减小狭缝宽度时，切勿使狭缝的二刀口相碰，即不允许螺旋读数小于零。
（2）入射缝S
1的光经棱镜折射后，在出射狭缝S
2
平面上形成S
1
的象是弯曲
的，定标时显微镜的叉丝应对准弯曲谱线的中部。
（3）因棱镜色散不均匀和探测器光谱灵敏度的限制，测定透明介质的光谱透射率时，当测量从长波段向短波段改变时，应适当增加缝宽（可增加S
1
的缝宽，为什么？），使电流计有较大的偏转。
（4）应选取低内阻的灵敏电流计（为什么？）。
注意防止强光照射光电池。
（5）若选用汞灯作为光源，测量任一谱线
的透过率时，应使S
2
的宽度较小（0.1mm），对
不同谱线，其强度及探测器光谱灵敏度不同，
应改变S
1
的宽度，保证不加滤光片时检流计偏
转格数尽量大（如2/3满偏）。
【思考】
1．如发现单色仪定标曲线上相对于已知
波长λ的鼓轮刻度L 偏离了L ∆，能否将原定
标曲线平移L ∆后继续使用，为什么？
2． 证明瓦兹渥斯色散装置（图4）的光 束恒偏向特性，即φπδ2-=。
图4。
