CCD微机棱镜摄谱仪

棱镜式光谱仪原理
光源是棱镜式光谱仪提供光线的设备，常见的光源包括白炽灯、氘灯
和汞灯等。

光源发出的光线首先进入准直系统。

准直系统包括一个透镜或反射镜，其作用是将光源发出的光线进行聚焦，使其成为平行光束。

这样可以保证光线在进入分光系统之前是平行的。

分光系统是棱镜式光谱仪中最重要的组件，其主要作用是将进入系统
的平行光束分散成不同波长的光束。

分光系统通常由一个棱镜组成，该棱
镜具有特定的形状和折射率。

当光线从一个介质进入另一个介质时，它的
速度会改变，从而使光线发生折射。

不同波长的光线受到不同程度的折射
和偏转，因此光谱仪可以通过测量光线的偏转角度来得到不同波长的光束。

分光系统将光线分散后，将不同波长的光束引导到检测系统。

检测系
统通常包括一个或多个光电二极管或光电倍增管，用于测量不同波长的光
线的光强。

通过测量光线的光强，可以获取样品的光谱信息。

然而，棱镜式光谱仪也存在一些缺点。

首先，由于棱镜和检测系统的
特性，该仪器在整个波长范围内的灵敏度可能不均匀。

其次，由于棱镜对
不同波长的光线进行了分散，因此它只能同时测量一个特定波长的光线，
而无法同时测量多个波长的光线。

总结起来，棱镜式光谱仪是一种基于棱镜的光学原理工作的光谱仪器。

通过将进入仪器的光线分散成不同波长的光束，然后使用探测器测量不同
波长的光强，棱镜式光谱仪可以获取样品的光谱信息。

同时，棱镜式光谱
仪也具有一定的优点和缺点，科学家们需要根据实际应用需求来选择适合
的光谱仪器。

小型棱镜摄谱仪观测测原子光谱一、实验目的：1．学习摄谱、识谱和谱线测量等光谱研究的基本技术；2．通过测量氢光谱可见谱线的波长，验证巴耳末公式的准确性，准确测定氢的里德伯常数。

3．观察钠光谱二、实验仪器：小型棱镜摄谱仪、电火花发生器、钠光灯 二、实验原理：氢原子光谱光谱线波长是由产生这种光谱的原子能级结构所决定的。

每一种元素都有自己特定的光谱，所以称它为原子的标识光谱。

光谱实验是研究探索原子内部电子的分布及运动情况的一个重要手段。

巴尔末,1825-1898)发现，在可见光区氢原子谱线可以由下面公式确定：）（221211nR H -=λ（4-1） 其中n 是大于2的整数，H R 是实验常数，称为里德伯(Rydberg)常数。

由上式确定的氢谱线为巴尔末线系，当n ＝3，4，5，6时，所得的谱线分别标记为αH 、βH 、γH 、σH 。

以这些经验公式为基础， (玻尔,1885-1962) 建立了氢原子的理论(玻尔模型)，并从而解释了气体放电时的发光过程。

根据玻尔理论：当原子从高能量的能级跃迁到低能量的能级时，以光子的形式释放能量。

氢原子n 能级上的能量为22048hn me E n ε=（n 是正整数），所以光子的波数())11()11(81122022022040nn R n n c h me E E hc H n -=-=-=ελ (4-2) 其中0n =1，2，3……， n = 0n +1，0n +2，0n +3……。

根据玻尔模型得到里德伯常数的理论值为ch me R H 32048ε= （4-3）代入各常数值计算，R H ＝ 373 153 4×107m －1。

该值与实验值十分接近。

实验装置及操作要点：本实验选用小型棱镜摄谱仪，通过照相法测定光谱线的波长。

如果不用照相机拍片，而是在输出端用测微目镜读数，则此装置称为“读谱仪”。

小型棱镜摄谱仪的光路见图4-2。

摄谱仪的内部各光学元件的调整步骤大致如下：将摄谱仪及附件按图4-2a 布置，S 为待测光源。

摄谱仪原理摄谱仪是一种用于测量光谱的仪器，它可以将光信号转换成电信号，并通过电子设备进行放大、处理和记录。

在科学研究、工业生产和医学诊断等领域都有着广泛的应用。

摄谱仪的原理是基于光的色散和光电转换的原理，下面将详细介绍摄谱仪的原理。

首先，摄谱仪利用光的色散原理。

当光线通过物质时，不同波长的光会受到不同程度的折射或衍射，从而产生色散现象。

摄谱仪通过色散元件（如棱镜或光栅）将光分解成不同波长的光束，然后利用光电探测器对这些光束进行检测和测量。

其次，摄谱仪利用光电转换原理。

光电探测器是摄谱仪中的核心部件，它可以将光信号转换成电信号。

常见的光电探测器包括光电二极管（光电管）、光电倍增管、光电二极管阵列等。

当光束照射到光电探测器上时，光子的能量会激发光电探测器中的电子，从而产生电流或电压信号。

这些信号随着光的强度和波长的变化而变化，通过电子设备进行放大、处理和记录，最终得到光谱图像或光谱数据。

除了色散和光电转换原理，摄谱仪的工作还受到光源、光路和仪器本身的影响。

光源的稳定性和光强度对测量结果有着重要影响，光路的设计和调整会影响光束的聚焦和分辨率，仪器的稳定性和灵敏度决定了测量的准确性和精度。

在实际应用中，摄谱仪可以用于分析样品的成分、测量样品的光学性质、研究光谱的特性等。

例如，在化学分析中，摄谱仪可以用于测定样品中的金属离子浓度；在材料科学中，摄谱仪可以用于研究材料的光学吸收、发射和散射特性；在生命科学中，摄谱仪可以用于检测生物分子的结构和功能等。

总之，摄谱仪是一种重要的光学仪器，它利用光的色散和光电转换原理实现对光谱的测量和分析。

在不同领域的科学研究和工程应用中都有着重要的地位和作用。

深入理解摄谱仪的原理对于正确操作和有效应用摄谱仪具有重要意义，也有助于推动光学仪器技术的发展和应用的进步。

ccd棱镜摄谱仪测波长实验报告
了解ccd棱镜摄谱仪的结构和原理，掌握利用ccd棱镜摄谱仪测量光的波长的方法和技巧。

实验原理：
ccd棱镜摄谱仪是一种用来测量光的波长的仪器。

ccd棱镜摄谱仪主要由光源、入射单缝、棱镜、ccd探测器等部分组成。

光经过入射单缝，形成一个单色光束，然后通过棱镜把不同波长的光分成不同的角度，最后由ccd探测器探测到信号并转换成数字信号，再经过电子计算机处理，得到光的波长。

实验步骤：
1、打开仪器，在桌面上找到ccd摄谱仪软件，打开并启动。

2、将样品放入入射单缝前，然后通过旋钮调节狭缝和准直物镜的位置，使光经过准直物镜射到单缝上。

3、打开ccd探测器，进行调试，使ccd探测器能够捕捉到光线的信号。

4、调节棱镜角度，使光线垂直于棱镜表面，使光以不同波长被分开。

通过ccd
探测器捕捉到光的信号，并通过软件将其转换为数字信号。

5、根据ccd软件给出的图形和数据，测量光线的波长。

6、重复实验，得出平均值。

实验结果：
通过本实验，我们测得了样品的光的波长为650.3nm。

经过多次实验，得到的平均值为650.2nm。

实验结论：
本实验通过ccd棱镜摄谱仪测量了样品的光的波长，了解了ccd棱镜摄谱仪的基本原理和用法。

在实验过程中，我们掌握了利用ccd探测器和软件测量光的波长的方法和技巧。

谱线宽度测量摘要：谱线宽度测量实验测量的是谱线的半高全宽。

为此对谱线线型进行分析，判断谱线线型为Voigt线型，再使用该线型对实验图像进行拟合，最终计算得出谱线宽度。

一、实验原理实际的单色辐射都包含一定的波长范围，谱线是分布在很窄的光谱范围的辐射。

通常规定谱线强度等于峰值一半处的宽度为谱线宽度的标志。

实验目的是测量谱线宽度，为此需将光场在空域中的描述转换到频域进行描述。

常用方法有通过透射光栅、棱镜、闪耀光栅等一次性分光的和通过L-G板，F-P板，共焦干涉仪等在器件内部进行多次反射透射的干涉方法。

相对而言，后者更适合于测量谱线宽度，因其可以形成强度均匀的谱线组，而前者一次分光的器件棱镜是分辨率太低，光栅则是光的利用率太低。

本实验使用L-G板进行测量。

L-G板结构如右图，光进入L-G板后，在上下板面间多次反射和透射，形成一系列平行相干光束，在透镜焦面上产生干涉条纹组。

由于L-G板的角色散，不同波长的光将在不同的纵向位置产生产生干涉，即纵向上的位移对应着波长变化。

对于某个基准波长，L-G板有一定的自由光谱范围，当光线从板内掠面出射时，近似有自由光谱范围与波长满足：∆λ=λ22ℎ−1n2−1−12，而该自由光谱范围在空间上对应的便是该波长相邻两个干涉级的距离。

以自由光谱范围对纵向位移进行定标可以测得谱线宽度。

二、实验装置实验装置如下图所示：图2实验装置图低压汞灯发出光经过透镜准直进入L-G板，出射的光经过透镜汇聚在在棱镜摄谱仪的入射狭缝处并产生干涉，棱镜摄谱仪通过棱镜分光作用，把不同的谱线的干涉线组区分开来，并在输出焦平面上1：1成像，最后通过CCD采集数据到计算机。

三、实验现象与分析处理调节光路准直，移动透镜，使得出射光能较好汇聚在摄谱仪入射狭缝处。

在摄谱仪输出端可以用肉眼观测到入射光经过棱镜分光后出现4条色带，分别是黄色，绿色，蓝色，紫色。

对应汞灯的理论谱线，可知这4条谱线分别为576.96nm和579.06nm对应的交叠的黄光，546.07nm对应的绿光，435.84nm的蓝紫光还有404.66nm对应的紫光。

实验1 棱镜光谱实验光谱学研究的是各物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。

光谱是电磁波辐射按照波长的有序排列，通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、电子组态、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，在化学分析中也提供了重要的定性与定量的分析方法。

发射光谱可以分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱、连续光谱。

线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。

随着科技的进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，所使用的都是以CCD 器件为核心构成的各种光学测量仪器。

PSP05型CCD 微机棱镜摄谱仪测量系统采用线阵CCD 器件接收光谱图形和光强分布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过直观的方式得到我们需要的结果。

与其他产品相比，PSP05型摄谱仪具有分辨率高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，观察方式多样，物理现象显著，物理内涵丰富，软件功能强大等明显的优点，是传统棱镜摄谱仪的升级换代产品。

【实验目的】1.了解小型摄谱仪的结构、原理和使用方法。

2.学习摄谱仪的定标方法及物理量的比较测量方法（线形插值法）。

【实验原理】1．光谱和物质结构的关系每种物质的原子都有自己的能级结构，原子通常处于基态，当受到外部激励后，可由基态跃迁到能量较高的激发态。

由于激发态不稳定，处于高能级的原子很快就返回基态，此时发射出一定能量的光子，光子的波长（或频率）由对应两能级之间的能量差i E ∆决定。

0i i E E E ∆=-，i E 和0E 分别表示原子处于对应的激发态和基态的能量，即：i i icE h hνλ∆== （1-1）得：i ihcE λ=∆，式中，i = 1，2，3，…，h 为普朗克常数，c 为光速。

每一种元素的原子，经激发后再向低能级跃迁时，可发出包含不同频率（波长）的光，这些光经色散元件即可得到一对应的光谱。

常见光谱仪工作原理一般常见的光谱仪分为多道直读光谱仪、单道扫描型光谱仪、全谱直读型光谱仪，它们的工作原理如下。

一、多道直读光谱仪摄谱仪的色散系统只有人射狭缝而没有出射狭缝，而光电光谱仪中，一个出射狭缝和——个光电倍增管构成——条光的通道（可安装多个固定的出射狭缝和光电倍增管）。

从光源发出的光经透镜聚焦后，在入射狭缝上成像并进人狭缝。

进入狭缝的光投射到凹面光栅上，凹面光栅将光色散，聚焦在焦面上，焦面上安装有一组出射狭缝，每一狭缝允许一条特定波长的光通过，投射到狭缝后的光电倍增管上进行检测，最后经计算机进行数据处理。

多道直读光谱仪的优点是分析速度快，精准度优于摄谱法；光电倍增管对信号放大本领强，可同时分析含量差别较大的不同元素；适用于较宽的波长范围。

但由于仪器结构限制，多道直读光谱仪的出射狭缝间存在确定距离，使利用波长相近的谱线有困难。

多道直读光谱仪适合于固定元素的快速定性、半定量和定量分析。

如这类仪器目前在钢铁冶炼中常用于炉前快速监控C、S、P等元素。

二、单道扫描型光谱仪从光源发出的光穿过人射狭缝后，反射到一个可以转动的光栅上，该光栅将光色散后，经反射使某一条特定波长的光通过出射狭缝投射到光电倍增管上进行检测。

光栅转动至某一固定角度时只允许一条特定波长的光线通过该出射狭缝，随光栅角度的变化，谱线从该狭缝中依次通过并进人检测器检测，完成——次全谱扫描。

和多道光谱仪相比，单道扫描光谱仪波长选择更为快捷便利，分析样品的范围更广，适用于较宽的波长范围，但由于完成一—次扫描需要确定时间，因此分析速度受到确定限制。

三、全谱直读型光谱仪光源发出的光通过两个曲面反光镜聚焦于人射狭缝，人射光经抛物面准直镜反射成平行光，照射到中阶梯光栅上使光在X向上色散，再经另一个光栅（Schmidt光栅）在Y向上进行二次色散，使光谱分析线全部色散在一一个平面上，并经反射镜反射进人面阵型CCD检测器检测。

由于该CCD是一个紫外型检测器，对可见区的光谱不敏感，因此，在Schmidt光栅的中央开一个孔洞，部分光线穿过孔洞后经棱镜进行Y向二次色散，然后经反射镜反射进人另一个CCD检测器对可见区的光谱（400～ 780nm）进行检测。

光信息专业实验报告：谱线宽度的测量【实验原理】实际的单色辐射都包含一定的波长范围。

所谓谱线，只不过是一个很狭窄的光谱区域辐射而已。

在这区域辐射的能量分布，从中心到边缘迅速递减，如图1所示。

通常规定在谱线强度等于峰值半处的宽度作为谱线宽度的标志及比较的标准，称此宽度为半高全宽，简称谱线宽度。

[1]图1 谱线强度曲线在透镜焦面上产生上下对称的两组干涉条纹，它们有固定的光程差Δ=2h（n2-sin2Φ）1/2 （1）故在透镜焦面上形成干涉极大值（亮条纹）的条件为：2h（n2-sin2Φ）1/2=Kλ K=1,2,3, (2)式中K为干涉光谱数序，λ为入射光波的波长，h为L—G板厚，n为L—G板的折射率，Φ为出射角。

设dΦ对应与光谱数序间隔dK的角距离，则相邻光谱数序（dK=1）的角距离为：dΦ= -λ（n2-sin2Φ）1/2（h sin2Φ）-1 （3）定义dΦ/dλ为盖格板的角色散。

由式（2）微分（K不变）得：dΦ/dλ=-2(sin2Φ)-1[(n2-sin2Φ)/λ-ndn/dλ] (4)图2 实验原理图当以两个不同波长λ1、λ2入射时对应有两套干涉条纹，它们的位置有相对位移。

当波长差（Δλ=λ1-λ2）大得使相邻数序重叠，我们称这时的Δλ值为色散范围。

一般Φ≈π/2，则色散范围为：Δλ=λ2（n2-1）1/2（2h）-1（n2-1-nλdn/dλ）-1 （5）当光线从板内掠面出射时Φ=90o，ε很小，可采用近似计算方法，则有sinΦ≈1，sin2Φ=（π-2ε）.若ndn/dλ<<(n2-sin2Φ)/λ，则式（3）（4）（5）可化为：ΔΦ=-λ（n2-1）1/2/2hε （6）dΦ/dλ= -（n2-1）/λε （7）Δλ=λ2（2h）-1（n2-1）-1/2 （8）则波长λ与λ-dλ的干涉亮条纹相对角位移为：dΦ=[（n2-1）/λε]dλ （9）以L表示波长λ的干涉条纹相邻数序的线距离，l表示波长λ与λ-dλ的干涉条纹相同数序的线距离。

小型棱镜摄谱仪的使用任何一种原子受到激发后，当由高能级跃迁到低能级时，将辐射出一定能量的光子，光子的波长为，由能级间的能量差决定：式中，为普朗克常数，c为光速。

不同，也不同。

同一种原子所辐射的不同波长的光，经色散后按一定程序排列而成的光谱，称发射光谱。

不同元素的原子结构是不相同的，因而受激发后所辐射的光波具有不同的波长，也就是有不同的发射光谱。

通过对发射光谱的测量和分析，可确定物质的元素成分，这种分析方法称为光谱分析。

通过光谱分析，不仅可以定性地分析物质的组成，还可以定量地确定待测物质所含各种元素的多少。

发射光谱分析常用摄谱仪进行。

小型棱镜摄谱仪，是以棱镜作为色散系统，观察或拍摄物质的发射光谱。

【实验目的】：1．了解摄谱仪的结构、原理和使用方法，学习小型摄谱仪的定标方法。

2．观察物质的发射光谱，测定氢原子光谱线的波长，验证原子光谱的规律性，测定氢原子光谱的里德堡常数。

3．学习物理量的比较测量方法。

【实验仪器】：小型摄谱仪、汞灯及镇流器、氢灯及电源、调压变压器。

【实验原理】：1．氢原子光谱的规律1885瑞士物理学家巴尔末发现，氢原子发射的光谱，在可见光区域内，遵循一定的规律，谱线的波长满足巴尔末公式：（1）式中，n=3，4，5，组成一个谱线系，称为巴尔末线系。

用波数（）表示的巴尔末公式为：n=3，4，5（2）式（2）中，称为氢原子光谱的里德堡常数。

用摄谱仪测出巴尔末线系各谱线的波长后，就可由式（2）算出里德堡常数，若与公认值=1.096776相比，在一定误差范围内，就能验证巴尔末公式和氢原子光谱的规律。

2．谱线波长的测量先用一组已知波长的光谱线做标准，测出它们移动到读数标记位置处时螺旋刻度尺的读数后，以为横坐标，为纵坐标，作~定标曲线。

对于待测光谱波长的光源只要记下它各条谱线所对应的螺旋尺上读数，对照定标校正曲线就可确定各谱线的波长。

本实验利用汞灯为摄谱仪进行定标校正。

然后测出氢原子光谱巴尔末线系各谱线的波长，再根据式（2）算出。