光栅光谱仪实验

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1、光栅光谱仪实验浙江大学光电信息工程实验中心一实验目的1、了解光栅的分光原理及主要特性；2、了解光栅光谱仪的工作原理；3、掌握利用光栅光谱仪进行测量的实验方法；二实验仪器1、低压汞灯及电源：发光波长404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm；2、透镜及固定调节架2个：（焦距f=45mm，口径38mm；焦距f=190mm，口径38mm）；3、狭缝及固定调节架1个：0~2mm；4、光栅及固定调节架1个：光栅自制；5、USB接口摄像头及固定调节架1个；6、计算机及软件；三实验原理衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，它的记录介质多采用光致抗蚀剂，

2、一般用激光器作光源，可产生每毫米几千条对的空间频率的光栅，并且通过曝光和显影，直接得到浮雕型的正弦透射光栅。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。当平行光入射到一块平面衍射光栅时，让衍射光波经过一透镜，则在透镜焦平面上得到光栅的夫琅和弗衍射图象，见图一。如果光源是平行于光栅刻痕的狭缝光源发出的准单色光，则衍射花样是一些分立的亮线（亮条纹）。图一光栅衍射图亮纹位置满足如下条件——光栅方程式……（1）式中，d为光栅常数，d=a+b，在可见光范围内，d一般在1/1000～1/500mm之间。为第m级亮纹对应的衍射角，λ为入射

3、光波长，i为入射平行光对光栅面的入射角，m为多缝干涉主极大级数4。入射光处于光栅面法线同侧的亮条纹时上式中取正号；异侧时取负号。光栅上的每一条缝的单缝衍射在θ方向上P点产生一个光振动，N条缝在P点产生的N个光振动的振幅相同，他们的相干叠加决定了P点的光强，光栅衍射是单缝衍射和多缝干涉的总效果。亮纹（主极大）中心位置满足光栅方程中m＝0，（θ＝0）时，dsinθ＝0为中央明纹中心。        其他亮纹（主极大）中心位置：        满足多缝干涉的光栅方程：  （2）不满足单缝衍射暗纹条件：（3）m’为单缝衍射暗纹级数。      （2、3）式要同时满足，才会出现主极

4、大       暗条纹位置：（4）（5）        （4、5）式只需满足一个便是暗纹。1．光栅的色散复色光入射时，除零级外各波长的衍射亮线分开，各色同级亮级分开的程度用光栅的色散来表示。定义：角色散（弧度/埃）；当小时，。线色散（毫米/埃）。可见光栅的色散与光波长无关，它仅决定于光栅常数d和被考察亮线的级次m，色散是作为分光元件的衍射光栅的重要特性参数。根据光栅方程，只要测得某光波第m级亮级的衍射角，并已知光栅常数d和入射角i，则可求得该光波波长。同时，如果测得各色光第m级亮线的衍射角θ，则可算得各色光的波长差，求得第m级亮线的角色散。为会聚透镜的焦距。2．光栅的色分

5、辩本领光栅的色分辩本领用波长λ附近能被分辩的最小波长差的比值来表示，即：式中m是光谱级次，N是光栅的总刻痕数。43．光栅的自由光谱范围光栅光谱中，不发生越级的最大光谱范围称为光栅的自由光谱范围，表示为可以看出，光栅的色分辩本领正比于刻痕数N和级次m，但自由光谱范围反比干涉级次m，所以光栅使用时应根据需要合理地选择参数。四．实验装置光栅光谱实验装置如图二所示，光源发出的光经透镜A汇聚到狭缝上，狭缝放置在透镜B的前焦面上，出来的平行光入射到光栅上，通过摄像头自带的透镜成像到光电接收器。光源LensA狭缝LensB光栅f摄像头图二光栅光谱实验装置五．实验步骤1．启动汞灯。观察光

6、源发出连续的光，而不是时断时续即可。2．利用现有平台布置光路，放置透镜A（焦距＝45mm），使得光源发出的光汇聚到狭缝面上，同时要求狭缝位于光斑的中心位置。3．调节狭缝宽度为1mm。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，最大调节宽度为2mm。为延长使用寿命，狭缝宽度调节时应注意最大不要超过2mm。仪器测量完毕或平常不使用时，狭缝最好调节到0.1mm~0.5mm左右。4．调节透镜B位置，使狭缝处于透镜B的前焦面上，经透镜B后成为平行光。5．调节光栅的位置，观察反射光使其与狭缝重合。6．启动计算机，运行计算机桌面

7、上的软件TopSpeedamcap.exe采集光谱图像。主要操作步骤如下：1）调整软件设定（选项/格式/输出大小），使采集光谱图像的分辨率800×600或1024×768；颜色空间压缩选用YUY2、频率30Hz。2）调整曝光量（选项/属性/相机/曝光）和亮度（选项/属性/颜色/亮度），同时调节摄像头与光栅的位置，使得光谱图像显示效果最佳。光栅光谱图像如图三所示。4图三光栅光谱图像1）按计算机PrtScSysReq按键，用附件中的画图软件或图像处理软件保存光谱图像（文件选用JPG格式，保存至桌面/光谱/testimage目录下。