平面反射光栅

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。

曲面光栅Vs平面光栅的性能优势光栅是光谱仪的心脏。

在1950年之前，光谱仪使用棱镜来进行分光。

从50年代开始平面刻画光栅代替棱镜开始大量的被使用在光谱仪中。

现在随着全息技术的发展，另一种全新的功能卓越的分光器件——全息光栅登上了历史舞台。

这种新型的光栅有着刻画光栅无可比拟的优势。

利用全息技术可以根据不同要求在玻璃衬底上刻画出各种形状排列的光栅。

全息光栅由于其刻画形状可控制技术使其可以对象差进行修正。

由此产生出了像差修正的全息型曲面光栅光谱仪的全新设计。

图3. 曲面光栅光谱仪的结构像差修正的全息型曲面光栅对比与普通的平面光栅，主要优势在于：1，曲面光栅和平面光栅的比较：普通平面光栅光谱仪的光路一般都需要两片曲面反射镜，和一片平面光栅来组成。

这样不可避免的由两片镜片引进很多杂散光。

杂散光打到CCD上会形成背景噪声，使系统信噪比降低。

而且光学部件越多，引入的像差就越严重。

2，全息型光栅和刻画型光栅的对比：刻画光栅最大的问题在于其刻画面的粗糙度会导致比较大的散射光。

全息光栅可以把这种散射将到一个很低的水平。

3，像差修正光栅和普通光栅的对比：像差会给CCD相邻像素之间带来串扰，并且会对理论分辨率值造成很大的损失，尤其是非傍轴光。

像差修正光栅则可以将像差对系统的影响降到很低的水平。

下边我们分别从系统的收光能力，系统杂散光，和系统像差三个方面来对平面刻画光栅和全息曲面光栅进行一下比较：一, f-number （光圈）系统收光能力由光栅的f-number来表征，它定义为光栅焦距除以光栅数值孔径。

像差修正曲面光栅可以允许更高f-number。

曲面光栅可以达到f/2，而一般的平面光栅光谱仪只能做到f/3到f/10。

所以曲面光栅光谱仪相对于平面光栅光谱仪有着更高的收集光能力。

以f/2的曲面光栅和f/5的平面光栅为例，其的收光能力之比为5^2 : 2^2 = 25:4, 可见f/2的曲面光栅的收光能力是f/5的平面光栅的6倍。

4.10光栅的衍射【实验目的】(1)进一步熟悉分光计的调整与使用;(2)学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法;(3)加深理解光栅衍射公式及其成立条件。

【实验原理】衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。

它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。

透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。

而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。

实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250~600条线。

由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱线波长、研究光谱的结构和强度等。

另外，光栅还应用于光学计量、光通信及信息处理。

1(测定光栅常数和光波波长光栅上的刻痕起着不透光的作用，当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相iC B 互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。

A G如图1所示，设光栅常数d=AB的光栅G，有一束平行光与, 光栅的法线成i角的方向，入射到光栅上产生衍射。

从B点作BC垂直于入射光CA，再作BD垂直于衍射光AD，AD与光栅法线所成的夹角为,。

如果在这方向上由于光振动的加强而在F处产生了一个明条纹，其光程差CA+AD必等于波长的整数倍，即: F图1 光栅的衍射 dimsinsin,,,, (1) ，，式中，,为入射光的波长。

当入射光和衍射光都在光栅法线同侧时，(1)式括号内取正号，在光栅法线两侧时，(1)式括号内取负号。

如果入射光垂直入射到光栅上，即i=0，则(1)式变成:dmsin,,, (2) m这里，m=0，?1，?2，?3，…，m为衍射级次，,第m级谱线的衍射角。

m平行光望远镜物镜黄黄绿绿紫紫中央明纹图3 光栅衍射光谱图2衍射光谱的偏向角示意图光栅G在小平台上的位置2(用最小偏向角法测定光波波长如图2所示，波长为的光束入射在光栅G上，入射角为i，若与入射线同在光栅 ,法线n一侧的m级衍射光的衍射角为沪，则由式(1)可知dimsinsin,,,, (3) ，，若以?表示入射光与第m级衍射光的夹角，称为偏向角，,,，,i (4),,i显然，?随入射角i而变，不难证明时?为一极小值，记作,，称为最小偏向角。

习题1 简述常用光源的工作原理及特点，在实际工作中应如何正确选择所需光源。

2 试从色散率、分辨率等诸方面比较棱镜摄谱仪和光栅摄谱仪的特点。

3 阐述光谱定性分析的基本原理，并结合实验说明光谱定性分析过程。

4 光谱定量分析的依据是什么？内标法的原理是什么？如何选择内标元素和内标线？5 分析下列试样应选用什么激发光源？什么类型的光谱仪？ （1）矿石矿物的定性和半定量分析；（2）钢中锰（0.0X% ～ 0.X%）的测定； （3）高纯氧化镧中铈、镨、钕的测定；（4）污水中Ti V Fe Cu Mn Cr ,,,,,等（含量为10-6数量级）的测定解：（1）直流电弧；一米光栅摄谱仪 （2）低压交流电弧；中型摄谱仪 （3）高压火花光源；大型摄谱仪（4）高频电感耦合等离子体（ICP ）光源；选ICP —AES 光电直读光谱仪6 平面反射光栅的宽度为50 mm ，刻线为600条/ mm ，求一级光谱的分辨率和在600.0 nm 处能分辨的最近的两条谱线的波长差为多少？当用棱镜为色散元件时，该棱镜材料的色散率λd dn为120 (mm -1)，试求要达到上述光栅同样分辨率时，该棱镜的底边应为多长？ 解：分辨率为： N k R ⋅=∆=λλ300000.506001=⨯⨯=R nm R02.030000.600===∆λλ由公式λd dnmbR =，得 mm d dn m R b 250120130000=⨯==λ7 一平面反射光栅，当入射角为400，衍射角为100时，为了得到波长为400 nm 的一级光谱，光栅上每毫米的刻线为多少？解：由光栅方程公式 (sin sin )d k αβλ+=，得0610sin 40sin 104001sin sin +⨯⨯=+=-βαλk d mm mm d 4410896.4174.0643.0104--⨯=+⨯=刻线数为204210896.414=⨯-条8 若光栅的宽度为50.0 mm ， 每毫米有650条刻线，则该光栅的一级光谱的理论分辨率是多少？一级光谱中波长为310.030 nm 和310.066 nm 的双线能否分开？ 解：分辨率为： N k R ⋅=∆=λλ325000.506501=⨯⨯=Rnm R 0095.032500048.31032500)066.310030.310(21==+==∆λλ即理论分辨率为32500的光栅能够分开波长差为0.0095 nm 的谱线，310.030 nm 和310.066nm 的双线波长差为0.036 nm ，所以能够分开。

实验： 一维平面反射光栅衍射测量激光波长一．实验目的1.观察光栅衍射现象。

2.利用一维平面反射光栅衍射测量激光波长。

二．实验原理 光栅衍射：光栅：屏函数是空间的周期函数的衍射屏，即具有周期性结构的衍射 屏。

一般常用的刻划光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕 为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。

精制的光栅，在1cm 宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。

透射光栅：利用透射光衍射反射光栅：利用反射光衍射。

比如，在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光。

直尺表面刻痕可看作“一维平面反射光栅” 平面反射光栅衍射：激光笔输出光以大角度斜入射到镜面（如家中光滑桌面）时，反射 光在观察屏（如墙面）上形成一个光斑。

激光笔输出光以大角度斜入 射到平面反射光栅表面(如直尺)，在观察屏(墙面)上会看到一排规则排列的衍射光斑。

激光笔输出光以大角度斜入射到直尺表面刻度线 形成的一维平面反射光栅时，直尺表面A 位置和B 位置的光到达观察屏C 位置时的光程差可以写作：δ= ∠OBC-∠OAC=d （cos k β-cos α）， 由光栅衍射原理可知，当光程差为零或者为入射光波长的整数倍 时，即δ= k λ(k= 0, ±1, ±2, ±3,...) 时，观察屏上就会出现亮斑。

δ=∠ OBC-∠OAC=d （cos k β-cos α）=d （2222khL L +-21211hL L +），d 是直尺表面刻度线形成的反射光栅常数(通常为0.5 mm 或者1 mm)，1h 是激光笔出光口到直尺表面的垂直距离，1L 是激光笔出光口到直尺表面光斑中心的水平距离，k h 是观察屏上衍射斑到直尺表面的垂直距离，是2L 观察屏到直尺表面光斑中心的水平距离。

上述物理量在实验上都是容易测量得到的。

三．实验主要步骤或操作要点实验器材1. 低功率激光笔（最好是发红光）；2. 一把最小分度值为0.5mm 或1mm 钢尺（或塑料尺）作为“一维平面反射光栅”；3. 墙面作为观察屏（与直尺表面的垂直距离大于1 m ）；4. 另一把直尺，用于测量1h 和k h ；5. 一把卷尺，用于测量1L 和2L ；实验步骤：1. 搭建并调节实验光路：初始时，激光笔输出光垂直于观察屏（墙面）；然后将激光笔出光口稍微向下倾斜，大角度入射到直尺0刻线所在边缘，根据观察到的衍射斑调整光路，保证衍射斑沿竖直方向分布。

闪耀光栅闪耀光栅blazed grating当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。

从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀（blaze），这种光栅称为闪耀光栅。

在这样刻成的闪耀光栅中，起衍射作用的槽面是个光滑的平面，它与光栅的表面一夹角，称为闪耀角（blaze angle）。

最大光强度所对应的波长，称为闪耀波长（bl aze wavelength）。

通过闪耀角的设计，可以使光栅适用于某一特定波段的某一级光谱。

闪耀光栅的优点透射光栅有很大的缺点，主要是衍射图样中没有色散的零级主最大总是占总光能的很大一部分，其余光能分散在各级光谱中，而实际使用光栅时往往只利用它的某一级。

这对光栅的应用是很不利的。

闪耀光栅则实现了单缝衍射中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上。

CD光盘可以看作粗制的闪耀光栅。

第一章光学分析法引论-1.3 光谱法仪器背景知识三、光谱仪器组成：光源，单色器，样品容器，检测器(光电转换器、电子读出、数据处理及记录)。

• 光源对光源的要求：强度大(分析灵敏度高)、稳定(分析重现性好)。

*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation2. 分光系统( monochromator, wavelength selector )定义：将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。

理想的100% 的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯度”的单色光，即该“单色光具有一定的宽度(有效带宽)。

有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。

构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。

1 )棱镜( Prism )：棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。

平面反射光栅色散原理
平面反射光栅色散原理是一种光学分光技术，它利用光的波长差异在光栅中的衍射和干涉现象，将入射光分散成不同波长的光谱，从而实现光谱分析。

平面反射光栅色散原理的基本原理是，将入射光线通过平面反射光栅，光栅上的刻线会使光线发生衍射，将光线分成多条不同波长的光线，这些光线再次反射到光栅上，进一步衍射和干涉，最终形成一条光谱带。

光谱带的宽度和波长分辨率与光栅的刻线间距和入射光线的入射角度有关。

平面反射光栅色散原理在化学、生物、材料科学等领域都有广泛应用，能够对物质的结构、成分、性质等进行分析和研究。

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