8光谱的测量

光谱的测量光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面都发挥着极大的作用。无论是吸收光谱还是荧光光谱、拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV-IR）、高光谱分辨率（到0.001nm）、自动波长扫描和完整的电脑控制功能，极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描光栅单色仪已成为光谱研究的首选。实验目的1、了解光栅光谱仪的工作原理。2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术。3、利用电脑自动扫描光栅单色仪测试光源的特性谱线。实验原理光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2，物镜M3以及出射狭缝S2构成。图1光栅光谱仪基本结构图M1反射镜，M2准光镜，M3物镜；G平面衍射光栅；S1入射狭缝；S2光电倍增管接收，S3CCD接收。光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射光栅。相邻刻线的间距d称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差(sinsin)sd，为入射角，为衍射角，可导出光栅方程：(sinsin)dm（1）光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来，为入射光波长，m为衍射级次，取0,1,2,等整数。式中的“”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射0，光栅方程变为sindm。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出cosdmdd（2）复色入射光进入狭缝S1后，经M2变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图2所示）2cossindm（3）其中，为光栅的旋转角度，为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说为一常数。发射光谱是物质在高温状态或因受到带电粒子的撞击而激发后直接发出的光谱。由于受激时物质所处的状态不同，发射光谱有不同的形状，在原子状态中为明线光谱，如钠灯、汞灯、氢氘灯等。在分子状态中为带光谱，如氮放电灯。在炽热的固态、液态或高压主气体中为连续光谱，如钨灯、氘灯等。由于不同的元素的原子能级结构各不相同，每种元素的光谱也犹如人的指纹一样具有自己的特征。特别是一种元素都有被称为“住留谱线”（RU线）的特征谱线，如果试样的光谱中出现了某种元素的“住留谱线”，就是说试样中含有该元素。图3为汞原子能级图。图3汞原子能级图1042.72Å1849.57Å2536.52Å2967.28Å3125.66Å3131.56Å3131.83Å3650.15Å3654.83Å3662.88Å3663.28Å4046.56Å4077.81Å4347.50Å4358.35Å4916.04Å5025.64Å5460.74Å5769.59Å5789.66Å5790.65Å8131.83Å10139.67Å10270.2Å11287.2Å13673.1Å13950.8Å16942.0Å18130.38Å19700.17Å实验装置组合式多功能光栅光谱仪，计算机。WGD-8A组合式多功能光栅光谱仪由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元组成，集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用切尔尼——特纳（C-T）装置，如图1所示。通过旋转M3选择出射狭缝S2或S3从而选择接收器件类型，选择出射狭缝S2为光电倍增管接收器件，选择出射狭缝S3则为CCD接收器件。狭缝是光谱仪器中的一个精密部件，狭缝的好坏决定了光谱仪器的工作质量。除此以外，入射狭缝还起到控制进入光谱仪器光强、出射狭缝还起到控制出射的单色光强度的作用。WGD-8A组合式多功能光栅光谱仪的入射狭缝、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M2成像在S2上，或经物镜M2和M3平面成像在S3上。光源系统为仪器提供工作光源，可选氘灯、钠灯、汞灯等各种光源。由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。其工作原理如图4所示。图4光谱仪的工作原理扫描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦机构）的中丝杠转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的光电信号前置放大器放大的光电信号增益控制信号系统控制信号光谱数字信号/变换/变换步进电机控制信号负高压控制信号负高压电源步进电机驱动电源负高压2131电子计算机步进电机驱动脉冲转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时，出射光通过狭缝S2到达光电倍增管。用CCD做探测器时，转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S3到达CCD，CCD可以同时探测某一光谱范围内的光谱信号。光信号经过倍增管（或CCD）变为电信号后，首先经过前置放大器放大，再经过A/D变换，将模拟量转变成数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件根据需要设置。前置放大器的增益现为1，2，…，7七个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高压也分为1，2，…，7七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可在10ms-40s之间任意改变。WGD-8A组合式多功能光栅光谱仪除单色仪的入射狭缝宽度、出射狭缝宽度需手工操作设置外，其它各项参数的设置、扫描控制和光谱数据处理操作均由计算机来完成，计算机软件的使用详见WGD-8A组合式多功能光栅光谱仪软件操作说明书。WGD-8A组合式多功能光栅光谱仪主要技术指标：焦距：500mm波长区间：200-660nm相对孔径：D/F＝1/7光栅：2400l/mm杂散光≤10－3分辨率优于0.06nm光电倍增管接收：波长范围200－660nm波长精度≤±0.2nm波长重复性≤0.1nmCCD（电荷耦合器件）接收：单元2048光谱响应区间300－660nm积分时间88档实验内容1、开机准备开机之前，请认真检查光栅光谱仪的各个部分（单色仪主机、电控箱、接受单元、计算机）连线是否正确，保证准确无误。为了保证仪器的性能指标和寿命，在每次使用完毕，将入射狭缝宽度、出射狭缝宽度均调节到0.1mm左右。在仪器系统复位完毕后，再根据测试和实验的要求分别调节入射狭缝宽度、出射狭缝宽度到合适的宽度。WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪根据仪器型号的不同配有光电倍增管、CCD、硫化铅、钽酸锂、TGS等不同接收单元。若采用光电倍增管作为接收单元，切勿在光电倍增管加有负高压的情况下，使其暴露在强光下（包括自然光）。在使用结束后，一定要注意调节负高压旋钮使负高压归零，然后再关闭电控箱。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的窗玻璃的滤光片插口上。滤光片共二片，白片工作区间为320－500n，黄片为500－660nm。2、程序安装（如已安装好，则跳过）仪器的参数设置和测量均由计算机来完成。因此在使用前必须先安装WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪器中文操作软件。将随仪器配备的WGD-8/8A组合式多功能光栅光谱仪器操作软件系统安装光盘放入光驱中，执行其中的SETUP程序，即开始进行安装，安装过程大约一分钟。系统安装结束后，将自动在WINDOWS系统的“开始”—“程序”中建立“WGD-8/8A组合式光栅光谱仪”一项。执行其中的可执行程序即可运行操作系统。3、采用标准光谱灯进行波长校准光栅光谱仪由于运输过程中震动等各种原因，可能会使波长准确度产生偏差，因此在第一次使用前用已知的光谱线来校准仪器的波长准确度。检查仪器波长准确度可用氘灯、钠灯（标准值为589.0nm和589.6nm）、汞灯以及其它已知光谱线的光源来进行。利用汞灯的五根谱线的波长值（标准值为404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm）来进行校准仪器。根据能量信号大小手工调节入射狭缝和出射狭缝，扫描汞灯光谱。顺时针旋转狭缝宽度加大，反之减小，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm。如果波长有偏差，用“波长线性校正”功能进行校正。4、扫描汞灯光谱使用软件对系统参数进行设置，扫描汞灯光谱。