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微弱光探测及光谱分析实验1．平面光栅的分光原理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，衍射时有光栅方程：（3.4-1）式中d是光栅常数，λ是入射光波长，k是衍射级次，θ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、很锐的亮线。由dsinθ=kλ可知，级次间距对应，当角度θ较小的时，角度间隔∆θ最小，当角度θ增加时，角度间隔∆θ增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时可以简化为线性，即可采用线性定标，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。2．谱线定标定标：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下，采集已知谱线，然后对已知谱线定标，随即将横坐标由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，可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dsinθ=kλ可知，得θ取值为10.4º~32.7º之间。我们在测量未知波长时是通过已知的两个或多个（本实验仪器最多允许选择5个已知波长做四次定标）波长定标。定标涉及到以下的问题：（1）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，该参数既然是参考波长，一般就有误差，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。（2）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300nm~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。对波长修正的效果是：如果修正波长为－Xnm，则我们所观察到的谱线将向右移动Xnm，参考波长的标称值不变。如果修正波长为Xnm，则我们所观察到的谱线将向左移动Xnm，参考波长的标称值不变。（3）定标谱线的采集为了避免其他谱线的干扰，可以考虑采集背景光线，计算机会将实际采集的谱线与背景相减，获取真实的谱线。另外可以通过开关电源，观察谱线的变化来观察光源的谱线。谱线采集后，根据已知的谱线进行定标，定标后将谱线保存，供测量未知谱线使用。为了减少光栅转动带来的空回误差，可以考虑定标完成后，保持光栅的位置不变，采集未知的光谱，然后读取光谱数据。（4）定标谱线形状的锐化由于光谱是通过CCD采集的，CCD存在分辨能力和饱和问题。当谱线太弱，可以考虑增加入射光的缝宽，来提高入射光强度，这也可能导致较强光谱的溢出，即谱线顶部变平。因此我们可以通过调节入射光孔的大小，使我们要观察的谱线比较适中（主要是顶部比较尖锐）。入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成λ1～λ2的谱带。位于出射窗口处的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A/D变换后存贮并显示在计算机上。图2是多色仪及光源部分的光路。光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S1，入射光经平面反射镜M1转向90°，经球面镜M2反射后成为平行光射向光栅G。衍射光经球面镜M3和M4成像于观察屏P。由于各波长光的衍射角不同，在P处形成以某一波长λ0为中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征。转动光栅G可改变中心波长,整条谱带也随之移动。多色仪上有显示中心波长λ0的波长计。转开平面镜M4可使M3直接成像于光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全一致。