大学物理实验 光栅单色仪(1)

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。

光栅单色仪实验报告光栅单色仪实验报告引言：光栅单色仪是一种常用的光学仪器，用于分离光的不同波长，以实现光谱分析。

本实验旨在通过实际操作光栅单色仪，了解其原理和使用方法，并通过实验结果验证其性能。

一、实验原理光栅单色仪的原理基于光的衍射现象。

当光通过光栅时，会发生衍射现象，光栅上的周期性结构会使得光的不同波长发生不同程度的衍射。

光栅单色仪利用这一特性，通过调节光栅的角度和入射光的波长，将光分离成不同波长的光束，进而进行光谱分析。

二、实验器材与方法1. 实验器材：光栅单色仪、白炽灯、狭缝、凸透镜、光电二极管、光电二极管电流测量仪等。

2. 实验方法：（1）调整光栅单色仪：将光栅单色仪放置在水平的台面上，调整光栅单色仪的位置，使其稳定。

（2）调整入射光的角度：将白炽灯放置在光栅单色仪的一侧，通过狭缝调节入射光的强度，然后通过调整光栅单色仪的角度，使入射光垂直射向光栅。

（3）观察光的衍射：将凸透镜放置在光栅单色仪的一侧，调整凸透镜的位置，使其与光栅单色仪的焦点重合。

然后，在凸透镜的焦点处放置光电二极管，并连接光电二极管电流测量仪。

（4）记录实验数据：通过调整光栅单色仪的角度，观察光电二极管电流的变化，并记录下相应的角度和电流数值。

三、实验结果与分析在实验中，我们通过调整光栅单色仪的角度，观察到了光电二极管电流的变化。

实验结果显示，当光栅单色仪的角度发生变化时，光电二极管电流也会随之变化。

这是因为光栅单色仪的角度变化会导致入射光的波长发生变化，从而影响到光的衍射现象。

通过进一步分析实验数据，我们可以得出光栅单色仪的分辨本领。

分辨本领是指光栅单色仪能够分辨两个波长之间的最小差异。

在实验中，我们通过测量光电二极管电流的变化，可以确定光栅单色仪的分辨本领。

实验结果显示，光栅单色仪的分辨本领较高，能够分辨出波长之间非常小的差异。

四、实验误差与改进在实验中，由于仪器的精度和实验条件的限制，可能会产生一定的误差。

例如，光栅单色仪的角度调节可能不够精确，导致测量结果的误差。

单色仪及其应用实验(4篇)以下是网友分享的关于单色仪及其应用实验的资料4篇，希望对您有所帮助，就爱阅读感谢您的支持。

篇一：单色仪及其应用实验实验七平面光栅单色仪应用平面光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可把紫外，可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光。

可进行光谱分析、测定接收元件的灵敏特性、滤光片吸收特性、光源的能谱分析和光栅的集光效率等。

如配备电子束激发器，X射线激发器，光子激发器和高频等离子，辉光放电等稳定光源相配套，可进行光谱的化学分析。

与棱镜相比，光栅具有色散本领大，均匀性好，分辨率高等特点。

因而在光谱学，计量学，光通讯等方面有着广泛的应用。

本实验通过对溴钨灯发射光谱的测量，加深了解平面光栅单色仪和光谱技术的综合应用。

【实验目的】1．掌握平面光栅分光的物理原理。

2．研究夫琅和费衍射的光强分布，加深对衍射理论的了解。

3．观察平面光栅衍射现象，学会平面光栅单色仪的使用。

4．学习使用光电倍增元件来测量和描绘出射光谱的能量分布。

【实验原理】光的衍射现象是指光遇到障碍物时偏离直线传播方向的现象。

而光栅是指任何能起周期性地分割波阵面作用的衍射屏。

作为色散元件的衍射光栅最早是由夫琅和费用细金属丝制成的，夫琅和费用它测出了太阳光谱中的暗线波长。

后来他又用金刚石刻划贴金箔的玻璃板，得到了性能更好的光栅。

常用的衍射光栅分透射式与反射式两种。

透射式光栅是用金刚石刀在平面透明玻璃板上刻划平行，等间距又等宽的直痕而制成的。

反射式光栅是在坚硬的合金板或高反射率平面镜上刻划而成的。

本实验用反射式平面光栅。

理想的反射式平面光栅，可视作是相互平行，等宽，等间距，均匀排列的许多狭缝。

如设光栅的缝宽为d，则d称为光栅常数，本实验中刻线密度为1200条/mm。

根据夫琅和费理论，一束平行光垂直地入射到平面反射光栅上，经各缝衍射后向各方向传播。

衍射角适合如下条件：dsinθ=kλ k=0，±1，±2，±3 …上式称作平行光垂直入射时的光栅方程。

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。

图1、反射式衍射光栅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。

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。

光栅单色仪的调整和使用 31 80实验题目：光栅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、LED 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 <2002、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⨯64mm 2 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图1 单色仪的组成光源透镜分光系统接收系统系统制的光束的直径，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。

数据及数据处理：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/mm,1、最佳狭缝宽度D fa n λ=86.0=0.86×500 ×579.06/64 nm=3.891μm D fa n λ=86.0=0.86×500 ×576.96/64 nm=3.876μm2、理论分辨本领R=1×64×1200=76800m 为干涉级次，这里m=1，N 为光栅的总线条数。

物理实验报告
实验成绩
实验者姓名
班号学号
实验时间2020 年 5 月31 日
天气地点室温同组名
气压指导老师
实验目的
1、熟悉光栅单色仪的基本结构和原理
2、通过单色仪定标和测量钠光灯、汞灯、氢氘灯光谱，熟悉光栅单色仪实验方法。

3.理解原子能级跃迁规律、能级差和跃迁几率，掌握计算光谱里德伯常数的方法。

实验原理
1、衍射光栅
(1)工作原理：单缝衍射和多缝干涉
(2)光栅方程：设有一束光以入射角q0射向一块衍射光栅，则只有满足下式的一些特殊角度q m下，才有光束衍射出来：
(3)强度分布：光栅方程只说明了各级衍射的衍射方向，按照多缝衍射的理论，在强度为
I0的入射光照射下，光栅衍射光的强度分布为：
2、光栅的色散和分辨本领
(1)光栅的角色散：从光栅方程可以得到光栅的角色散为：当衍射角较小时cosqm≈1，则式子可变为：
(2)光栅的分辨率：为进一步说明光栅的分辨率和各种因素的关系，利用
光栅方程，得
3、吸收曲线测量原理：当一束光入射到有一定厚度的介质平板上时，有一部分光被反射，另一部分光被介质吸收，剩下的光从介质板透射出来。

设有一束波长为 ，入射光强为I0的单色平行光垂直入射到一块厚度为d的介质平板上，定义介质板的光谱外透射率T和介
质的光谱透射率Ti分别为：设光在单一界面上的反射率为R，则透射光的光强为所以设两块试样的厚度分别为d1和
d2，d1> d2，光谱外透射率分别为T1和T2。

则所以在合适的条件下，单色仪测量输出的数值与照射到它上的光的强度成正比。

所以读出测量的强度就
可由下式计算光谱透射率和吸收系数：
数据表格及处理结果：。

实验四光栅单色仪的使用光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可以把紫外、可见及红外三个光谱区的复合光分解为单色光，如配备电子束激发器、X射线激发器、光子激发器和高频等离子、辉光放电等稳定光源；可以进行光谱化学分析，如原子吸收光谱、萤光光谱、拉曼光谱、激光光谱的定性及定量分析。

同时还可以测定接收元件的灵敏特性、滤光片吸收特性、光源的能谱分析、光栅的集光效率等。

【预习提问】（1）复习光栅衍射的有关原理。

（2）了解WGD-300B光栅单色仪的结构和使用方法。

（3）如何获得校正曲线?【实验目的】（1）用光栅单色仪测波长。

（2）学会光栅单色仪的定标方法。

【实验器材】WGD-300B光栅单色仪，高压汞灯或低压汞灯，凸透镜，（移测显微镜，光探测器，光电流（压）放大器）。

【实验原理】3.1、光学原理图WGD-300B型光栅单色仪光路采用低杂散光的 C-T对称式光学系统。

如下图所示：2.2、结构原理入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜 M3 的焦面上，通过 S1 射入的光束经 F 滤光片滤光后，再经M3 反射成平行光束投向当前工作的平面光栅 G 上，衍射后的平行光束经物镜M4 成象在出射狭缝 S2 上输出。

WGD-300B 型多波段光栅单色仪整体光路元件基于同一块底板，可实现光路不变形；入射狭缝、出射狭缝 0-2mm 连续可调；波长驱动结构采用正弦结构，用步进电机带动丝杠轴向平移，推动与光栅台连成一体的光栅台绕旋转中心转动，从而实现波长扫描，系统以组合的形式安装了3块经过调试的光栅，光栅常数分别为1200 l/mm、300 l/mm 、66l/mm，通过面板上的光栅转换键驱动光栅转换电机调换当前工作光栅，可以实现从波长200nm~15μm 的分段扫描，扫描过程中滤光片自动转换，光栅转换机构可以保证新转换的光栅定位准确，不需要再次校准光栅位置。

仪器外形（如下页图示）单色仪经常是作为其他光谱仪或光谱装置中产生单色光的一个部件，可将不同波长的复合光按顺序分开。

光栅单色仪的调整和使用实验报告
一、实验目的
1、认识光栅单色仪的工作原理;
2、掌握光栅单色仪的调节技术;
3、了解光栅单色仪的使用情况.
二、实验内容
使用真空管示波器和光栅单色仪，完成检测、调节和使用工作。

三、实验原理
光栅单色仪是一种常用的视频图像采集装置，它可以从摄像头或外部设备接收像素图像信号，然后将其转换为可读取的视频模式。

它由位图和空间扫描器两部分组成。

其中位图包括用于存储图像的闪存和显示器的控制模块，而空间扫描器用于从视频源获取像素图像，将其转换成易于存储的格式，然后将其存入存储器和显示器。

四、实验准备
1、真空管示波器一台;
2、光栅单色仪一个;
3、实验试验手册、仪器校准手册和操作说明书;
4、计算机一台。

五、实验步骤
1、准备好所需的设备和设备，安装在计算机上，确保电气连接良好；
2、根据仪表校准手册的要求，完成对仪表的调整设置；
3、用真空管示波器观察光栅单色仪的输入输出信号，验证设备的工作状态；
4、根据操作说明书试操作光栅单色仪；
5、调整参数，完成光栅单色仪的使用；
6、完成实验，并写出实验报告。

六、实验结果
实验通过对仪表的调节和光栅单色仪的操作，成功调节并完成使用。

观察到工作状态正常，输入输出信号表现正常，显示无噪声，给出高质量画面。

七、实验总结
通过本次实验，了解了光栅单色仪的工作原理，熟悉了调节和使用工作，掌握了处理图像信号的技术，让我对视频图像处理有了初步的认识和了解。