用光栅光谱仪测定介质的吸收光谱资料
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27 实验一 用光柵光谱仪测定介质的吸收光谱
介质的吸收光谱与发射光谱一样，不但用于光谱分析，而且用于研究物质结构。在原子物理、分子物理、化学、天体物理等领域内，吸收光谱是一种重要的研究手段。
光谱仪是常用的基本光学仪器，可用于测量介质的光谱特性、光源的光谱能量分布等。本实验中用光谱仪测量钕玻璃的吸收曲线。
实验目的
1． 了解光柵光谱仪的构造及其使用方法
2． 加深对介质光谱特性的了解，掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。
实验原理
当一束光穿过有一定厚度的介质平板时，有一部分光被反射，另有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λ，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，如图1所示。如果从界面1反射的光强为IR ，从界面1向介质透射光的光强为I1，到达界面2的入射光的强度为I2，从界面2射出的透射光的光强为IT，则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
T=0IIT （1）
iT=12II （2）
这里的IR，I1，I2，和IT，都应该是光在界面1和2上以及介质中多次反向和透射的总效果。
一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。我们将光谱透射率与波长的关系曲线称为透射曲线。在均匀介质内部，光谱透射率与介质厚度有如下关系
adieT （3）
式中，a称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。吸收系数不仅与介质有关，而且与入射光的波长有关。吸收系数与波长的关系曲线称为吸收曲线。
设光垂直入射到厚度d为的介质上，光要从前后表面发生反射，如果a值很小，反射可以进行多次，若介质表面的反向系数为R，则透过样品的光强为
图1 一束光入射到平板上 28 4321TTTTTIIIII
adadeRRIeRI32202011）（）（
adadeReRI222011）（ （4）
式中IT1、IT2、IT3、IT4、…，分别表示从界面2第一次透射，第二次透射，…，光的光强。所以
adadTeReRIIT222011）（ （5）
通常，介质的光谱透射率Ti和吸收系数a通过测量由同一材料加工成的（a相同）表面性质相同（R相同）但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得出的。设两块试样的厚度分别为d1和d2，d2 > d1，光谱外透射率分别为T1和T2 。
由（5）式可得
）（）（211222221211adadadadeReeReTT
一般和都很小，故上式可近似为
1212）（ddaeTT （6）
所以
1221lnlnddTTa （7）
比较(6)式和(3)可知
12TTTi （8）
本实验中采用光电倍增管来测量光强。在合适的条件下，光电倍增管输出的电流与入射光的光强成正比。因而利用光电流的输出值就可由下式计算光谱透射率和吸收系数
12iiTi （9）
1221lnlnddiia （10） 29 式中i1和i2分别表示试样厚度分别为d1和d2时光电流的大小。
光栅光谱仪的简介
图2是本实验所用的WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪示意图。它由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元、计算机等组成。该设备集光学、精密机械、电子学及计算机技术于一体，可实现对光源的光谱能量分布及介质透光率的自动测量。
此WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪中使用的光栅单色仪由三部分组成：入射狭縫和准直球面反射镜构成入射准直系统，以产生平行光束；反射光柵G（1200G/mm）构成色散系统，以产生各种波长的单色光；聚焦球面反射镜、平面反射镜及出射狭縫及构成出射聚光系统，将光栅的单色光会聚在出射狭縫上，或者移开小反射镜，使光束会聚在S2上。
WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪在工作时，会聚透镜将光源发出的连续光会聚到入射狭缝S1上，然后投射到M1上。由于S1处在M1的焦平面上，因此M1的反射光线成为平行光。此平行光经光柵G衍射后，分成一系列衍射方向不同的各种波长的单色平行光。由于光柵G受到由扫描系统控制的电机带动而使光栅旋转，因而不同波长单色平行光会相继投射到聚焦球面反射镜M2及出口狭縫S2或S3上（因M2的焦平面正好与S2重合）。出射光束光强的大小由光电倍增管检测，此光电信号经放大及模数转换后送入计算机中，经计算机处理后得到相关的光谱特性曲线。
实验内容
一、单色仪的调节和波长示值的修正
(1) 调光栅单色仪的底脚螺钉，以保证单色仪水平放置。
(2) 以汞灯作为光源，使光源和会聚透镜与单色仪的光学系统共轴。
(3) 校对单色仪的波长示值的准确度并作相应的修正。
校正时，首先调好狭縫和宽度（1~2mm）并点燃汞灯及打开仪器电控电源，调入WGD－3光谱仪的控制软件，等准备状态结束后，测量汞灯的能量谱。然后将计算机给出的汞的四条谱线的标称值与标准波长值（435.8nm，546.1nm，570.0nm，579.1nm）对比。若出现偏差，则应将修正值输入计算机中，对于我们所使用的WGD－3型光柵单色仪，波长示值的准确度≤0.2nm。
有关此仪器具体使用说明请阅读仪器使用须知。
二、测量钕玻璃在500.0nm~700.0nm范围内的吸收曲线
图2 WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪简图 30 用溴钨灯换下汞灯，将溴钨灯直接安装在光栅光谱入口狭缝前，并将待测的较薄的一片钕玻璃装在光电接收器前的暗箱内（内有固定安装位置），保持原有狭缝宽度不变。测量此时的介质透射能量谱，根据实测曲线的信号强度来调节光电倍增管的电压参数，使所测信号具有适当强度。待调整完毕，分别测出薄、厚两样品的透射能量谱i1(λ)和i2(λ)，并根据(9)式和(10)式作出钕玻璃在500.0nm~700.0nm范围内的吸收曲线a(λ)—λ。确定吸收峰的大小及波长。
实验时应注意，在测量两样品的透射能量谱时，要保证仪器各参数（如狭縫宽度、倍增管电压等）不变。另外，两狭縫S1和S2的宽度不得超过3mm，不得完全闭合，否则会损坏狭缝机构。实验完毕，縫宽调至0.2mm左右。
实验步骤
一、光栅光谱仪的定标
1．启动光谱仪电源和汞灯电源开关，启动计算机电源，进入WGD-3型控制软件界面后回车，先对仪器进行初始化，待初始化后即进入控制程序主菜单。
2．将汞灯置于入口狭縫处，先将光谱仪电压调至适当值（600V左右/不要改变实验室已调好的狭缝宽度，否则电压值需相应改变）。
3．用鼠标选择工作子菜单中的单程扫描对汞灯光谱进行测量。待测量完毕后（自动停止后），利用读取数据中的寻峰中自动寻峰项来对汞灯光谱进行检峰，检出峰值较强的谱线，并和汞灯标准谱线（435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.1nm）对比，记下其中至少两根谱线（一般选577.0nm、579.1nm）和标准的差别，再利用读取数据中的波长修正项对谱线作相应的修正。(多则减，少则加)。
二、待测介质的吸收谱的测量。
1．关闭汞灯电源，入口狭縫前撤掉汞灯，换上溴钨灯光源，打开溴钨灯电源。(连续光光源)
2．选择工作子菜单中的单程扫描项对溴钨灯光谱进行测量，(此时相当于放入了一块厚度d1=0的介质)。在测量中观察谱线能量高度，若高出界面或高度太低，调节电源电压后待自动停止后重新测量。测量结束后，将得到的i1 (λ) 以文件XX1.tpo存入硬盘(我的文档中)。
3．打开入口狭縫前的暗箱，放入某一种顏色待测介质，再利用工作子菜单中的单程扫描项对其光谱进行测量。测量结束后得到的谱线i2 (λ) 以文件XX2.tpo存入硬盘(我的文档中)。
4．在主菜单下依次打开xx1.tpo和xx2.tpo文件，利用读取数据中的读取谱线数据项在300.0nm~800.0nm波长范围内，每隔适当距离记录数据（记录15个左右数据）填入数据记录表。然后按公式：
)()ln(ln1221ddiia
求出对应的吸收系数。利用坐标纸作图(或用微机软件作图)，并给出吸收峰位置。
5．保持其他测量条件不变（包括狭缝宽度、光电倍增管的各工作参数等），只稍微 31 改变仪器电压值（增加或减少10V左右即可），分别将入口狭缝前换上另外两种颜色的介质样品，重复步骤2、3和步骤4。
6．关闭光谱仪电源前先将电压值调至零。
7．实验结束后将实验保存过的数据删除并将仪器等恢复原样。
思考题
一、校对单色仪的波长示值为什么要用汞灯？而测量吸收曲线为什么要用溴钨灯？
二、试讨论单色仪的入射狭缝和出射狭缝的宽度对出射光单色性的影响？
介质吸收光谱测量数据表
电压= V d1 = 0 d2 = 2.21mm
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
波长
i1
i2
a
