光学多道分析器.docx
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光学多道分析器.docx
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光学多道分析器
光学多道分析器
一、实验目的
1、了解多道分析的基本原理和多道分析器的基本结构及使用方法;
2、掌握用已知光源的标准光谱线定标来测量未知光源谱线的方法;
3、研究发光二极管的发光特性。
二、基本原理
光谱是研究物质微观结构的重要手段,它广泛地应用于化学分析、医药、生物、地质、冶金、考古等部门。
常用的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱,设计的波段从X射线、紫外线、可见光、红外光到微波和射频波段。
本实验通过测量几种发光体在可见光波段的发射光谱使大家了解光谱测量的基本方法以及不同发光光源的谱特征。
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,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(球面反射镜)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(球面反射镜)和平面反射镜M4成像在S2上,或转动M4使光从S3出射以便观察。
在S2出射窗口形成的λ1~λ2的光谱带成像于CCD接收单元(电荷耦合器件)。
它是一种以电荷量表示光强大小、用耦合方式传输电荷量的器件,本实验所用CCD接收单元一共2048个(也叫2048道),摆成一维线阵(二维面阵CCD以大量用于摄像机和数字照相机)放在光谱面上,一次曝光就可获取整个光谱,一次测量的光谱范围为159nm,亦即两个像元之间对应的波长差为0.077nm。
因此,要进行“道”到波长的转换,这也涉及到用标准光源(如汞灯)谱线进行波长的定标问题。
通常,一般平面透射光栅的衍射条纹中0级明纹占入射光光强的80%左右,而且各种波长的0级明纹重迭,其它条纹的强度很小,这是因为光栅衍射条纹的形成是缝间干涉被单缝衍射所调制的结果,这不利于色散的精确测量,实际中是使用各波长明纹彼此分开的同一级光谱,如第一级光谱。
因此,上图中放在有精密数字步进马达驱动的转盘平台上的光栅M4是闪耀光栅。
闪耀光栅是一种反射光栅,其原理如图2所示。
以磨光了的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子,用劈形钻石刀头在上面刻划出一系列锯齿状槽面。
槽面与光栅平面之间的夹角,或者说它们的法线n和N之间的夹角θb,叫做闪耀角。
闪耀角的大小可由刻制时刀口的形状来控制。
这种平面反射式光栅的单槽衍射0级是怎样与槽间干涉0级错开的呢?
假设平行光束沿槽面法线n方向入射,单槽衍射的0级是几何光学的反射方向,即沿原方向返回。
对于槽间干涉来说,相邻槽面之间在这方向有光程差ΔL=2dsinθb。
满足下式的λ1b叫做1级闪耀波长:
2dsinθb=λ1b
光栅的单槽衍射0级亮纹正好落在λ1b光波的1级谱线上。
又因闪耀光栅中的a=d,λ1b光谱中的其它级(包括0级)都几乎落在单槽衍射的暗线位置而形成缺级。
这样一来,80%~90%的光能集中到λ1b光的1级谱线上,使其强度大大增加。
显然,λ1b光的闪耀方向不可能严格地又是其它波长的闪耀方向,不过由于单槽衍射的0级主峰有一定宽度,它可容纳λ1b附近一定波段内其它波长的1级谱线,使它们也有较大的强度,同时这些波长的其它级谱线也都很弱。
此外,用同样的方法我们可以把光强集中到2级闪耀波长λ2b附近的2级光谱中去。
λ2b满足
2dsinθb=2λ2b
总之,我们通过闪耀角θb的设计,是光栅适用于某一特定波段的某级光谱上。
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(只让此波长段的光通过)
黄片500-900nm(只让此波长段的光通过)
滤光片的作用主要是减少杂散光的干扰。
三.安装
3.1安装场地
该仪器是实验用仪器。
为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命,在选择仪器安装场地时应注意以下几点:
1.环境温度20±5℃
2.净化湿度<65%
3.无强振动源、无强电磁场干扰。
4.室内保持清洁、无腐蚀性气体。
5.仪器应放置在坚固的平台上。
6.仪器放置处不可长时间受阳光照射。
7.室内应具备稳压电源装置对仪器供电,装有地线,保证仪器接地良好。
3.2 安装方法
WGD-6型光学多道分析器,系精密仪器。
因此仪器安装的场合应满足安装环境的要求。
工作台必须平稳。
系统联线示意图如图3:
3.2.1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,可将扳手放在“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
3.2.2软件的安装
(参见仪器使用说明书)
四.操作方法
4.1工作界面介绍
进入系统后,首先弹出如图4的友好界面,等待用户单击鼠标或键盘上的任意键;当接收到鼠标、键盘事件或等待五秒钟后,马上显示工作界面,同时弹出一个对话框如图5,让用户确认是否重新初始化。
如果选择“是”,则初始化波长位置回到300nm处;如果选择“否”,则确认当前的波长位置,步进行初始化。
图4
图5
完成上面几步,就可以在WGD-6软件平台上工作了(工作界面如图6)
工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及存储器信息提示区等组成。
图6
4.1.1菜单栏
菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数据”、“数据图形处理”、“关于”等菜单项。
单击这些菜单项可弹出下拉菜单,利用这些菜单即可执行软件的大部分命令。
下面简单介绍菜单栏中各菜单的功能:
1.“文件”菜单(如图7)
新建清除当前实验的所有数据
打开打开一个已经存在的数据文件
保存把所选择的存储器中的数据保存到文件中
打印设置设置打印机的属性及打印参数
打印预览显示打印时文件的外观
打印打印当前的谱线及数据
退出退出WGD-6控制处理系统
2.“信息”菜单(如图8)
信息输入输入采集环境及其它信息图8
网格显示网格坐标
显示中心波长位置在显示的坐标系统上显示中心位置
3.“运行”菜单(如图9)
实时采集在当前位置循环采集数据并显示
三维显示采集当前的谱线,并在三维坐标中显示
模拟照相模拟摄谱仪,把底片效果显示在屏幕上
停止停止实时采集
手动前进波长向长波方向移动指定的间隔
手动后退波长向短波方向移动指定的间隔图9
背景记忆记录当前的暗环境,便于采集时扣除
清除背景记忆清除记录的背景
检索把中心处的波长移动到指定的波长位置
图10
重新初始化对波长进行重新定位,参数重新设置
4.“数据处理”菜单(如图10)
读取谱线数据读取指定谱线上各点的数据
读取坐标点数据读取坐标面上各位置的坐标
扩展对谱线进行局部放大
取消扩展取消本次实验的所有扩展
手动定标使用标准谱标定波长
自动定标使用定标公式进行定标
信道/波长转换信道/波长两种显示方式中变换
寻峰检索峰、谷的位置
显示峰谷在谱线上标记峰谷的标志
显示峰谷数据显示谱线上峰谷对应的信息
显示方式选择显示峰谷信息的方式
平滑平滑选定的谱线
计算对设置的谱线进行计算
显示根据设置显示谱线
清除数据清除选定的数据
刷新刷新屏幕
5.“数据图形处理”菜单(如图11)
波长修正修正波长
光栅根据所使用的光栅,选择相应的光栅参数
6.“关于”菜单
关于CCDSystem显示版本信息
4.1.2工具栏
软件提供了两个工具栏,每个工具栏由一组工具按钮组成,分别对应某些菜单项或菜单命令的功能,用户只需用鼠标左键单击按钮,即可执行相应的操作或功能。
4.1.3工作区
工作区是用户绘制、浏览、编辑谱线的区域。
工作区可同时显示多条谱线。
4.1.4状态栏
状态栏用于反映当前的工作状态。
另外,当定点设备指向某一菜单项或按钮时,会在状态栏显示相应的功能说明。
4.1.5参数设置区
设置工作方式、工作范围及工作状态等参数。
4.1.6存储器信息提示区
显示各存储器的信息。
4.1.7存储器选择及波长显示栏
选择当前存储器,显示当前中心波长位置。
4.2功能介绍
(参见仪器使用说明书)
五.实验内容
1、
按实验原理图连接好线路,打开汞灯电源开关,将扳手放在“观察”档,将汞灯放在入缝处,调节缝S1和S2至适当宽度以在S3处能观察到汞灯的清晰谱线为宜。
2、将扳手放在“CCD”档,启动计算机,运行WGD—6应用程序进入工作界面。
3、设置好参数区中各项参数,将起始波长调到320nm,单击背景记忆命令以扣除环境因素。
4、启动实时采集,在屏幕上将显现汞光源的一系列谱线,单击手动前进和后退按钮,使几条谱线显示在屏幕中央。
5、单击手动定标按钮,移动光标至谱线峰值处,回车,将标准波长输入到定标对话框中,单击“添加下一个”按钮,移动光标至另一谱线峰值处,将另一已知标准波长输入到定标对话框中,再单击“定标”按钮进行线性定标。
6、此时,屏幕工作区的横坐标自动从信道数变成了波长,改用钠灯,转动M4,使谱线成像于观察屏上,只调节钠灯的位置,不要改变其它设置,使谱线强度为最强。
7、转动M4,启动实时采集,逐一读取钠光谱的各谱线波长并保存数据。
8、改用红、绿、蓝等发光二极管作光源,重复步骤6和7,保存数据。
六.数据处理
1、用汞灯定标后,读取钠光谱的双黄线的波长值,与标准值对比,计算实验误差。
2、给出发光二极管的谱线图并说明其特征。
七.注意事项
1、扳动扳手要轻扳轻放,移动光源要注意安全。
2、定标之后不要调整界面参数,也不可单击手动前进和后退按钮以保持采集帧的固定。
3、为延长使用寿命,狭缝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、为保护CCD接收系统,请避免强光直射入缝。
八.思考题
1、波长修正与定标有什幺区别?
定标的方法不同对实验误差有何影响?
2、本仪器系统用来做光谱分析有何不足?
3、在暗室环境下,打开日光灯,能否发现546.1nm的谱线
4、试简要设想一份用氢灯做氢光谱的实验计划。
九.附:
发光二极管谱线图
(1)发射光谱曲线
图一典型发光二极管发射光谱曲线
(2)发光强度Iv和正向电流If关系曲线
图二典型发光二极管发光强度iV和正向电流的关系曲线
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