光学多通道实验报告

光学多道分析器的应用

1 实验一、光学多道分析器的应用 薛清峰、周庆杰 【摘要】 光学多道分析器集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，可测出未知光谱的波 长等功能，目前已广泛应用于科研机构作为光谱分析之用。 【关键字】 光谱、汞灯、多通道分析器 【引言】 光学多道可看成是多个单色仪同时对光的测量，即同时测量光强在各个波长上的分布。 光学多道的测量效率大大提高，这对于需要大量测量数据的实验来说是非常必要的。 光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地 质、冶金和考古等部门。常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。涉及的波段从X 射线、紫外线、可见光、红外线到微波和射频波段。 光学多道分析器是集光学、精密机械、电子学、计算机技术与一体的精密仪器，能够更 为精密的进行光谱测量。它的结构和工作原理较为复杂，但由于使用了计算机技术而使得操 作过程非常方便。本实验通过对汞灯定标从而达到了解光学多道分析器的工作原理，理解光 谱测量与分析的重要性，并掌握操作方法的目的。 【实验目的】 1.了解光学多通道分析器的结构原理 2.学习光学仪器的校正方法 3掌握用光学多通道分析器测量未知光谱的方法 【实验仪器】 WGD-6型光学多通道分析器、汞灯、紫外线灯、发光二极管（红、黄、绿） 波长范围 300－900nm 焦距 302.5mm 相对孔径 D/F＝1/7 分辨率 优于0.2nm 波长精度 ≤±0.2nm 波长重复性 ≤0.1nm 杂散光 ≤10－3 CCD(电荷耦合器件) 接收单元 2048 光谱响应区间 300－900nm 积分时间 1－88档 重量 20kg 光学多道分析器的应用

2 【实验原理】 一、结构原理 WGD-6型光学多道分析器，由光栅单色仪，CCD接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D

采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用C－T型，如图1-1入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0－2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1、S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投向平面光栅G上，衍射后的平行光束 经物镜M3成像在S2上。 M2、M3 焦距302.5mm 光栅G 每毫米刻线600条 闪耀波长550nm 二块滤光片工作区间 白片 320－500nm 黄片 500－900nm WGD-6 型光学多通道分析器由光栅单色仪、CCD 接收单元、扫描系统、电子 放大器、A/D采集单元及计算机组成，该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，可用于分析300nm－900nm 范围内的光谱，是当代光学测量仪器的典型代表。 二、实验原理 实验装置WGD-6 型光学多通道分析器原理为平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射。衍射时，遵循光栅方程： d sinq = kl k = 0,±1,±2 （1） 式中d 是光栅常数，l 是入射光波长，k 是衍射级次，q 为衍射角。由光栅方程可知，当光栅常数d 一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、锐的亮线。 由d sinq = kl 可知，级次间距对应的 sin(q + Dq ) - sin q = cosq × Dq = [(k+1)λ-kλ]= ，即 图1-1

光学原理图 M1: 反射镜、M2: 准光镜、M3: 物镜、M4: 转镜、G: 平面衍射光栅、 S1: 入射狭缝、S2: CCD接收位置、S3: 观察窗（或出射狭缝） S1 M2 M1

M3 S2 G M4 S3 S2 光学多道分析器的应用

3 Dq = l /(d cosq ) （2） 当角度较小的时候，角度间隔最小，当角度增加时，角度间隔增加。所以光谱排列并非 按角度线性分布。我们在测量未知波长时是同过已知两个或多个（本实验仪器最多允许选择5 个已知波长做四次定标）波长。当角度较小时，我们可以简化为线性，可以采用线性定标。更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3 次、或4 次定标。定标完毕后，可以将结果保存为文件。但我们需要明白定标文件的使用：是指在相同的衍射级次（一般取第1 级次），我们采集到已知谱线，并对已知谱线定标，将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。 定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长或中心波长。在本实验中的起 始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械 转动，重复性比较差，因此需要定标。 定标也是有误差的。定标使用谱线位置的远近，以及采用的是几次定标，都会影响到数 据的准确性。由于CCD 的敏感波长为300nm-900nm，由公式d sinq = kl 可知，得θ 取值 为10.4o-32.7o 之间。 【实验内容与步骤】 （一）实验准备 1. 接通电源前，认真检查接线是否正确。 2. 转换开关 检查转换开关的位置，确认是否是工作位置，若CCD接收，请将扳手放在“CCD”档； 若观察谱线，可将旋钮指示停在“观察”档。 3. 入射狭缝S1的调正 狭缝为直狭缝，宽度范围0～2mm 连续可调，顺时针旋转为狭缝宽度加大，反之减小， 每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。为延长使用寿命，调节时注意最大不超过2mm，平日不使 用时，狭缝最好开到0.1～0.5mm 左右。 4. 滤光片 为去除光栅光谱仪中的高级次光谱，在使用过程中，操作者可根据需要把备用的滤光 片装在入射狭缝S1 的窗玻璃前联接螺口上。滤光片共二片，工作区间：白色滤光片 320-500nm 黄色滤光片500-900nm 5. 软件的启动 软件安装后，从“开始”菜单执行“程序/光谱仪”组中的“WGD－6”快捷键，即可启动 WGD－6 控制处理系统。 （二） 软件操作简要说明 使用者可以通过屏幕提示来操作采集系统，一般操作界面窗口下包括的菜单项有： （1）文件主要提供文件打开/关闭、结果打印和程序退出等功能； （2）运行主要包括一些数据采集子菜单项，如实时采集、背景和改变起始波长等； （3）数据处理——主要包括对采集到的光谱数据进行操作处理的功能，如定标、平滑、扩 展、数据读取和两谱线图的加减等。 （4）设置用来修改CCD 的工作参数和显示模式，如曝光时间、平均次数、累加次数和显 示范围等。增加曝光时间、平均次数和累加次数可增加信噪比和提高弱峰的计数，但设置曝 光时间要考虑CCD 动态范围的限制。 （5）帮助——提供在线帮助。 光学多道分析器的应用

4 其他详细说明请参阅仪器说明书。 （三）定标 定标涉及到以下的问题: （A）参考波长是否可靠，参考波长就是光谱采集系统显示的中心波长或起始波长，该参数既然参考波长，一般就是有误差，不准确，差10nm 左右都不会对测量结果带来影响。如果参考波长相差太远可以考虑修正波长。 （B）参考波长的修正。参考波长修正的依据是特征谱线或可见光谱线。定标一般比较关注特征谱线。人眼的可见光谱线范围大致在400nm-700nm 之间，如果仪器使用起始波长作为参考，可以将起始波长设置为400nm；如果仪器使用中间波长作为参考，可以将中间波长设置为450nm。然后采集谱线，再通过CCD观察窗观察谱线的颜色，看是否是我们所需要的谱线。并注意一个屏幕的谱线差范围在150nm左右，如果两个谱线的距离明显大于波长之差，则说明观察到的应该是二级或更高级次的衍射（由于本仪器感光的限制300 nm-900nm，我们最多能够观察到2 级衍射），因此实际波长大于参考波长，修正波长为负；当观察不到可见光，则说明实际波长小于参考波长，修正波长为正。我们一般采用抵压汞灯的谱线作为标准普线。汞灯的常见谱线颜色。对波长修正的感官效果是：如果修正波长为-X nm，则我们所观察到的谱线将向右移动X nm，参考波长的标称值不变。如果修正波长为X nm，则我们所观察到的谱线将向左移动X nm，参考波长的标称值不变。 【自拟方案与测量数据】（自拟方案测波长） 表1 低压汞灯可见光区的主要谱线波长 波长 404.66 407.78 435.84 546.07 576.96 579.07 相对光强 第三强 较弱 次强 最强 强 强 颜色 紫光 紫光 蓝光 绿光 黄光 黄光 （1）打开计算机及光学多道分析器，点击计算机系统桌面的“WGD-6”快捷键，启动WGD-6 控制处理系统。

图3 软件启动界面 (2) 系统默认从300 开始检测；点击工具栏的“运行”，在下拉菜单中点击“检索”，输入中心波长490nm(主要目的是490nm 以上的波长属于可见光部分，可以通过观察窗观察)。 光学多道分析器的应用

5 注意：检索中心波长时一定要注意，观察窗的转换开关一定要处于CCD 的位置，即衍射 光线要投影到CCD 上供计算机采集数据，而不是投影到观察窗供用户眼睛观察。否则计算机 将不工作。

图4 默认检索中心波长为300nm

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6 图5 重新检索，中心波长设置为490.0nm (3) 检索到相应位置后，计算机转动的“嘎吱”声停止。 点击工具栏的“运行”，在下拉菜单中点击“实时采集”，观察结果。采集结束，单击工具 下“停止”。

图6 背景光的实时图像 (4)消除背景光的影响 点击工具栏的“运行”，在下拉菜单中点击“背景记忆”，运行1-2 秒后弹出采集背景结 束对话框，请按“确定”，背景采集结束。

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图7 背景光的实时采集存储 (5) 点击工具栏的“运行”，在下拉菜单中点击“实时采集”，打开低压汞灯，屏幕中出现波形图

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8 图8 消除背景光后的实时图像

图 9 低压汞灯作为光源后的衍射信号采集图像 （6） 通过调节入射光狭缝大小和移动光源减少光照，使图像尖锐。调整好之后，点击工具栏下的“停止”，实时采集完毕。

图 10 调节后的图像 (7) 停止采集后，对谱线进行定标。在定标之前，对谱线的波长进行确认。将转向开光板向 观察窗，然后去除遮光盖，通过观察窗观察谱线的颜色（绿色和蓝色）。需要特别注意，当转向开关没有板向观察窗而又打开了CCD 的遮光盖，容易使CCD 饱和而损坏。要指出的是，在上一步狭缝调整之后，观察窗内衍射条纹强度可能偏弱，难以观察，此时可以适当的对狭缝再次进行调整，增加入射光强，以便使条纹更加明显，便于肉眼观察。 (8) 已知绿色的谱线波长为546.07nm,蓝色的波长为435.84。接着进行定标。 定标的步骤是：

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9 (a) 选择“手动定标” →选定第一个定标的谱线，按回车键，输入谱线波长，再按回车， 按“下一点” 按钮→选定第二个定标的谱线，按回车键，输入谱线波长，按“下一点”按钮。 (b)输入完毕后点击“定标”按钮→选择适合的定标（线性）→定标完成后，计算机横坐 标换成波长显示。 (c)点击“保存”，将图像保存在事先建好的文件夹内。