制作光谱仪

一、实验目的二、实验仪器或用品三、实验原理四、光碟光谱仪的制作五、实验数据六、光谱仪的应用1、分析光碟的结构，探索其与光栅的关系。2、探究反射光栅的光谱特性，加深理解形成光谱的规律和原理。3、制作光谱仪，增强动手能力，让理论与实际紧密结合。4、光碟光谱仪应用到实验中，观察各类光谱。一张无损的光碟、汞光灯（产生线光源）、凸透镜、分光计、黑盒子、硬卡片（IC卡等）、小刀、剪刀、胶布等等复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。但光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。在观察和研究光谱中，是最重要、最常用的仪器。在日常生活中，我们发现光碟表面反射的光成彩色条纹；就是由于光碟具有分光的作用，它是一种反射光栅。我们可以利用光碟的这一特性，设计一个光碟光谱仪。衍射光栅是由大量平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）构成的一种精密的分光元件，它可以把不同波长的光分开并形成明亮细窄的谱线，常分为透射光栅和反射光栅。设凹槽部分宽度为a，非凹槽部分为b，a+b=d称为光栅常数。当平行光斜入射到光栅上时，每个凹槽的反射光都会发生衍射，而不同凹槽的衍射光又要彼此发生干涉。a、单元衍射一个刻槽中，两端边缘光线间光程差（DC=a）)sin(siniaADBC相位差]sin[sin2ia)(ib、多单元干涉相邻两槽间对应点光线光程差（EF=d）)sin(sin'idEGFH)(i相位差]sin[sin2'idvNvuuII22220sin)(sin.sin反射光栅夫琅禾费衍射光强分布为：]sin[sin2iau]sin[sin2'idv单槽衍射槽间干涉当时产生极大jv平面反射光栅的光栅方程...)2,1,0(]sin[sinjjid光栅的基本特性可以用它的“分辨本领”和“角色散率”来表征。（1）光栅的分辨本领R两条刚好可被该光栅分辨开的谱线的波长差∆λ=λ2-λ1，去除它们波长的平均值，即R光栅的分辨本领R越大，表明光栅能分辨开的波长差越小，光栅分辨细微结构的能力越强。由理论知识可以推出，光栅的分辨本领R为：jNR（2）光栅的角色散率D同一级谱线中两条谱线的衍射角之差∆φ与它们的波长差∆λ之比。即：cosdjD由上式知，光栅的角色散率与光栅常数d成反比，光栅常数d越小（即每毫米所含狭缝（凹槽）数越多），光栅的角色散率就越大，光谱就被分得越开，光栅的分辨本领越强。式中，j为衍射的级数，N为光栅有效使用面积内的总狭缝(凹槽)数。对于一定的光栅，有效使用面积越大，狭缝数就越多，谱线就越细锐，光栅的分辨本领就越大。如上右图所示，光碟主要由以下几层组成:最下一层由聚碳酸酯树脂构成的较厚透明的基底，起着保护和支撑盘体的作用;其上一层为染料层,涂有光学染料,是记录信息的层面;上一层为金属膜（如铝膜等）,作为反光层.在染料层上有周期性排列的螺旋圆环轨道称为“磁道”。近视的看为同心圆，如上左图所示.每个“磁道”和两“磁道”间的空隙的透光率不同.在半径较大处可近似为一维光栅.当光线入射到这一层面上,根据光栅分光原理,光栅方程为:...1,0,)sin(sinjjid其中d为光栅周期——光盘上磁道宽度和磁道间距之和;λ为入射光波长;i为入射角;为第j级主极大出现的角度.光谱学是光学的重要分支，它对量子力学的建立、分析物质结构、了解天体奥秘都是十分重要的方法．光谱仪是研究光谱的最重要、最常用的仪器；但由于造价较高，体积较大，携带不便．随着科学技术的发展，光碟作为一种高效方便的存储介质已经闯进这个信息时代．在学习生活中，我们很容易地发现光碟表面反射的光通常呈现彩色条纹状，其原因是光碟有分光的用；因此可根据光碟这一特性制作光碟光谱仪．1、取一长方体盒子，并在前端开一平行于长方体表面狭缝，狭缝的宽度足够小。由于这样的狭缝相当细，并且纸盒开缝时不一定很整齐均匀；因此，我们可以选取一较硬的薄片附加在纸盒缝上。2、将光碟放在纸盒的中偏后部，且与狭缝平行，与纸盒表面成45°角（如上图）。（在切割光碟取样品时，不要将光碟的金属膜损坏）注意：在实际应用时，由于狭缝较窄，有可能入射光的光强不足，导致现象不明显或者无现象。因此，可以在狭缝前放一个半径较大的凸透镜，最好使狭缝位于该透镜的像方焦平面，效果最佳。制作材料可就地取材．在此列出制作初样时所用的一些材料和做法，以作参考．1、我们需要把所选取纸盒的一端的多余纸片剪除，把另一端保留住。2、推荐使用塑料卡片制作单缝，因为纸制品易产生碎屑，开较窄狭缝比较困难。3、为了防止卡片贴在纸盒一端后四角漏光，推荐制作这个装置，再把塑料卡片镶嵌在里面。4、把有单缝的卡片镶嵌到纸片里面去，然后贴在纸盒开口的的一端，用胶带贴住。5、切割光盘。由于光盘的金属膜易脱落，在切割时应格外小心．先将金属膜一面切开，再用力剪开光盘.6、在纸盒的中后端切开45°的小缝，把切好的光盘切片放置其中。7、放置光盘切片的小缝用纸片贴住，以免漏光。光碟光谱仪的实体图观察方法一般情况下，此光谱仪可以直接观察光源的光谱。在观察时，将眼睛贴于矩形孔前，狭缝对准光源，上下或者左右移动光谱仪的方向使观察到的光谱最亮、最清晰；当然，也可以用数码相机采集光谱的图像。用LED小灯作为光源观察用LED小灯作为点光源，光通过光碟光谱仪形成光谱，再将手机置于观察窗前拍摄光谱。观察图如下：在实验室用汞光灯作为光源，观察到的光谱图一、实验篇实验步骤1、用黑盒子观察现象，采集光谱。2、利用分光计来观察光碟的分光现象。（1）将分光仪调节到工作状态；（2）将光谱仪中的光盘片垂直置于分光计载物平台上，转动平台使光盘与准直管射出的光成45°，则波长不同的光线1和光线2被分开一定角度∆θ。（如右上图）（3）调整望远镜筒方向使望远镜竖叉丝2次分别对准光线1和光线2，在刻度盘上读出2次望远镜筒所处的角度。此两角度之差值即为∆θ．在试验中我们取的是两双黄线被分开的夹角∆θ，并对其进行测量。三、与透射光栅对比1、分光计仍然要调到正常工作状态；2、将光栅置于载物台上，使经过准直管后的平行光垂直入射到光栅上3、调节望远镜筒，分贝可以找到分布在白光两侧的-1级光谱和+1级光谱，在这两光谱中，分别可以找到双黄线。4、测出两双黄线∆θ，进而测得D。实验观察：中央是主极大零级谱线，其它各级谱线对称的分布在其两边，且按波长从短波向长波分散开来，形成光栅光谱。实验数据如下：光线内黄线25°29′205°34′25°35′205°38′外黄线25°23′205°41′25°30′205°45′'6)'-'-(21右右左左所以有：二、数据篇分光元件角色散本领：D其中，波长相差表示同一级谱线的2条黄线的波长差，表示亮黄线被分开的角间距．'6mradD/107266.865所以有在实验室下，水银灯黄双线的波长为577．0nm，579．1nm，波长差∆λ==2．1nm．实验测得黄双线角间距：透射光栅实验数据如下：双黄线外黄线48°5′5°47′228°13′185°58′21°9′21°9′48°2′5°40′228°10′185°51′21°8′48°9′5°51′228°17′186°4′21°11′内黄线47°57′5°44′228°4′185°55′21°6′21°5′47°58′5°44′228°5′185°56′21°5′48°3′5°54′228°10′186°7′21°3′数据结果：'921)'-'-(411右右左左'521)'-'-(412右右左左'421两黄线的夹角为mradD/108177.545角分表率为数据对比分析（1）相同点：a.都是由大量平行线、等宽、等距的狭缝（或凹槽）构成的一种分光元件；b.实验原理都是通过测量光的衍射角来计算光谱的角色散率；c.分光后观察倒的条纹现象基本一致。（2）不同点：a.衍射光栅是通过测量透射光线的衍射角，光盘则是通过测量反射的衍射角；b.两者的光谱线光强相差较大。c.用透射光栅观察现象更明显，因他是严格的平行，而光盘凹槽是近似平行。多功能光栅光谱仪平面光栅摄谱仪激光拉曼光谱仪红外光谱仪X射线荧光光谱仪原子荧光光谱仪光纤光谱仪多功能光栅光谱仪多功能光栅光谱仪(单色仪)是一个光谱分析研究的通用设备。可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元素光谱（使用元素灯作为光源），也可以作为更为复杂的光谱仪器的后端分析设备如激光拉曼光谱仪。多功能光栅光谱仪光路图由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。反射镜1将由入射狭缝进入的光线反射到准光镜上。反射镜2离开光路时，物镜上射来的光线直接进入出射狭缝到光电倍增管，而当反射镜2进入光路时，出射光线被反射到CCD接收器。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置如图所示。这种装置的入射狭缝S和光谱感光板是垂直平面内对称于光栅G放置的，由于光路结构的对称性，彗差和像散可以矫正到理想的程度，使得在较长谱面范围内，谱线清晰、均匀。同时由于使用球面镜M同时作为准直物镜和摄谱物镜，因此不产生色差，且谱面平直。平面光栅摄谱仪光路图由光源B发射的光，经过消色差的三透镜照明系统L均匀照明狭缝S，再经反射镜P折向球面反射镜M下方的准光镜O1上，经O1反射，以平行光束射到光栅G上，经光栅衍射后，不同方向的单色光束射到球面反射镜的中央窗口暗箱物镜O2处，最后按波长排列聚焦于感光板F上，旋转光栅G，改变光栅的入射角，便可改变拍摄谱线的波段范围和光谱级次。平面光栅摄谱仪平面光栅摄谱仪是以平面衍射光栅作为色散元件的光谱仪器。WPS-1型2米平面光栅摄谱仪目前广泛应用于生物、水质、土壤、植物体、矿石、水泥、合金、药品等物质的光谱分析等工作，特别适用于微量稀有元素和稀土元素的分析及地质、冶金、机械等部门对岩石、矿物、合金等物质进行光谱定性、半定量和定量分析工作。红外光谱仪研究红外光谱的方法主要是吸收光谱法。使用的光谱有两种类型。一种是单通道或多通道测量的棱镜或光栅色散型光谱仪，另一种是利用双光束干涉原理并进行干涉图的傅里叶变换数学处理的非色散型的傅里叶变换红外光谱仪。现代红外光谱议是以傅立叶变换为基础的仪器。该类仪器不用棱镜或者光栅分光，而是用干涉仪得到干涉图，采用傅立叶变换将以时间为变量的干涉图变换为以频率为变量的光谱图。与传统的仪器相比，傅立叶红外光谱仪具有快速、高信噪比和高分辨率等特点。当仪器中的动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。这种仪器的优点：①多通道测量，使信噪比提高。②光通量高，提高了仪器的灵敏度。③波数值的精确度可达0.01厘米-1。④增加动镜移动距离，可使分辨本领提高。⑤工作波段可从可见区延伸到毫米区，可以实现远红外光谱的测定。红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点，因此，它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与原子发射光谱法相比,除轻元素外，特征（标识）X射线光谱基本上不受化学键的影响，定量分析中的基体吸收和增强效应较易校正或克服，谱线简单，互相干扰比较少，且易校正或排除。与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。激光拉曼光谱仪实物图原理图说明：该装置图为多功能光栅光谱仪