《光电子实验讲义》word版

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1、实验一 单模光纤的色散和损耗特性的测量1966年，英籍华裔科学家高锟（C. K. Kao）和其合作者霍克哈姆（C. A. Hockham）发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤（Optical Fiber）进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光纤通信的基础。1976年美国亚特兰大进行了光纤通信现场实验，标志着光纤通信从基础研究发展到商业应用的新阶段。此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模，工作波长从 0.85m发展到1.31m和1.55m，传输速率从几十Mb/s发展到现在的几十Gb/s。另外一方面，随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下降，应用范围日益扩大：从

2、初期的市话局间中继到长途干线进一步延伸到用户接入网，从数字电话到有线电视（CATV），从单一类型信息的传输到多钟业务的传输。目前光纤已经成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统已经日渐成为许多国家信息基础设施的支柱。光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真），因而使得输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因就是光纤中存在色散和损耗。色散限制系统的传输容量，损耗则限制系统的传输距离。本实验讨论光纤的色散和损耗特性并对单模光纤的色散和损耗进行测试。实验目的1.理解光纤色散的概念；2.理解光纤损耗的概念；3.了解并掌握相移法测量单模光纤色散的方法；

3、4.了解并掌握插入法测量光纤损耗这一常用方法。5.通过本实验，对光纤通信有一定的了解。实验仪器三波长光纤光源（1313、1535、1555nm ），光纤色散测试仪，光功率计，融锥型WDM波分复用器，法兰盘，光纤跳线，待测光纤等。实验原理一、光纤的色散1色散概述色散（Dispersion）是光纤最重要的传输特性之一。色散是在光纤中传输的光信号由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散又称模间色散，只存在于多模光纤中，它是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象，它取决于

4、光纤的折射率分布，并和光纤的材料折射率的波长特性有关；材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光（因为实际光源的非单色性），其时间延迟不同而产生，这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度；波导色散又称结构色散，它是由于光纤的波导结构参数与波长有关而产生的色散，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是模拟调制的，色散限制带宽（Bandwidth）；如果信号是数字脉冲，色散产生脉冲展宽（Pulse broadening）。色散一般用3dB光带宽（即为半高峰处的带宽）或者脉冲展宽来表示。用脉

5、冲展宽表示时，光纤色散可以写为： （1-1）（1）式中 、分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。2多模光纤的色散由多模光纤折射率分布的普遍公式，假设每个传输模式具有相同的功率，经过计算，可以得到长度为L的多模光纤的脉冲展宽为： （1-2）（2）式中为模式色散产生的脉冲展宽。对于突变型多模光纤：； （1-3）对于渐变型多模光纤：， （1-4）可见渐变型多模光纤的脉冲展宽比突变型多模光纤减小/2倍。上面式中，(n1- n2)/n1为相对折射率差， c为光速， g为折射率分布指数， （2）式中为模内色散产生的脉冲展宽，对于一般的多模光纤，主要为材料色散，可以简化为： （1-5

6、）（5）式中， 为光源功率谱的谱线宽度。3单模光纤的色散模内色散系数：理想圆对称单模光纤的色散（实际上光纤并非理想的圆对称，因此要考虑偏振模色散，这里我们只讨论理想圆对称情况），由于不存在模畸变（只有一个基模，不存在高阶模，忽略偏振态的改变），传导光脉冲的展宽完全是由波导色散和材料色散决定，人们常把这种基模的一个模内的色散定义为模内色散，有时为了和其他色散进行区分，也称色度色散(Chromatic Dispersion)，表明是和光的“色彩”（波长）有关。常简称为色散，它是时间延迟随波长变化的结果。模内色散系数的定义是：单位光源光谱宽度、单位光纤长度所对应的光脉冲的展宽（延时差）ps/(nmk

7、m)：对所有类型的单模光纤，该系数是可以根据测定不同波长的光通过一定长度的光纤的相对时差（延时）来确定的。偏振模色散：在理想完善的单模光纤中，单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y简并组成。但实际的单模光纤不可避免存在一定的缺陷，如纤芯不圆度、微弯力、内部残余应力等，HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机变化，从而会在光纤的输出端产生偏振模色散（Polarization-Mode Dispers

8、ion，即PMD）或双折射色散。在高速光纤通信系统（如10Gbit/s和40Gbit/s甚至更高）中，光纤的PMD对整个通信系统性能的影响不能被忽视。生产单模光纤的各种技术中，PCVD工艺生产出的单模光纤具有较低的偏振模色散。二、光纤的损耗1 损耗概述由于损耗（Loss，有时候又称为衰减）的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字脉冲信号，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了光纤通信系统的传输距离。上世纪六十年代，光纤损耗超过1000dB/km，1970年光纤研制出现突破，美国康宁（Corning）公司在当年研制的光纤损耗降低到约20dB/km，因而，由于光纤和半导体激光器的

9、技术进步，使得1970年成为光纤通信发展的一个重要里程碑。1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在1550 nm处)，低损耗光纤的问世导致了光纤通信技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。目前，正在开展研究并蓬勃发展的光纤通信新技术有超大容量的波分复用光纤通信和超长距离的光孤子通信系统等。在最一般的情况下，光纤内传输的光功率P随传输距离z的变化，可以用下式表示：上式中，a是损耗系数。假设长度为L（km）的光纤，输入光功率为Pi，根据上式输出光功率应为：习惯上a的单位用dB/km，很容易得知损耗系数为： （dB/km） 2光纤损耗的机理第二传输窗口第一传输窗口1.3001.5500.85紫

10、外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗 (dB/km)波 长/m (nm)OH离子吸收峰图1-1 单模光纤的损耗谱线，示出各种损耗机理第三传输窗口损耗约为0.2dB/km图1即为单模光纤的损耗谱示意图。光纤的损耗主要由材料的吸收损耗以及散射损耗组成，各部分具体描述如下：（1）材料的吸收主要由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生。由SiO2材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外（UV）区（），由分子振动引起的吸收带发生在红外（IR）区（），由于SiO2是非晶块状材料，两种吸收带从不同方向伸展到可见光区。由SiO2材料产生的固有吸收很小，在0.81.3m波段，小于0.1dB/km，在1.3

11、1.6m波段，小于0.03dB/km。光纤中的杂质主要有过渡金属离子（例如Fe2、Co2和Cu2等）以及氢氧根离子（OH），这些杂质是早期实现低损耗光纤的障碍。由于技术的进步，目前过渡金属离子含量已经降低到其影响可以忽略的程度。由氢氧根离子产生的吸收峰出现在0.95m、1.24m和1.39m波长处，其中以1.39m波长处吸收峰的影响最为严重。正是由于光纤通信波段内这一系列吸收峰的存在，使得峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个传输窗口。目前氢氧根离子的含量已经降低到109以下，从而1.39m波长处的吸收峰损耗也降低到0.5dB/km以下。这种减低吸收峰的光纤被称为全波光纤（AllWaveleng

12、th Fiber）。（2）散射损耗光纤的散射损耗主要由材料微观密度不均匀性引起的瑞利（Rayleigh）散射和由光纤结构缺陷（如气泡）引起的散射产生的。结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。瑞利散射损耗aR与波长四次方成反比，可用经验公式表示为，瑞利散射系数A取决于纤芯与包层折射率差。当分别为0.2%和0.5%时，A分别为0.86和1.02。瑞利散射是一种基本损耗机理，它是由于光纤在制造过程中沉积到熔石英中的随机密度变化引起折射率本身的起伏，从而导致光向各个方向散射所产生。瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。例如在1.55m波段，光纤瑞利散射引起的损耗最低理论极限

13、约为1.149 dB/km。上式中，A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW、IR和UV分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。然而，实际使用中的光纤损耗还不得不考虑辐射损耗（又称弯曲损耗），包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。光源波长选择器光检测器鉴相器信号发生器信号处理信号通道时延发生器待测光纤包层模滤出器器图1-2. 相移法测量单模光

14、纤色散的实验原理示意图三、单模光纤色散的测量单模光纤色散的测量方法很多，例如相移法（频域法）、脉冲法（时域法）、干涉法等等，这里我们仅介绍由ITUT（国际电信联盟电信标准化机构）和IEC（国际电工委员会）等国际标准组织推荐的“相位移方法”（PHASE-SHIFT METHOD）。根据国际标准ITU和IEC等的规定，测量单位光纤长度乘波长的群延时数据，宜用Sellmeier三项表达式来拟合。相移法实验原理如图2所示。系统由光源、波长选择器、信号发生器、包层模滤出器、光探测器、时延发生器、鉴相器以及信号处理部分等组成，测量时波长选择器选择波长1，2N，并且选择信号发生器调制合适的调制频率，使得所有

15、波长的相位延时i满足2Ni(2N+2)，于是当波长差别很小的时候，不同波长的时延i有下面的关系：即可得到不同波长的色散值。四、单模光纤损耗的测量测量光纤损耗的常用方法包括插入法和剪断法两种，这里只简单介绍一下原理，有兴趣的同学可以查阅相关技术标准（如ITUT G.650G.655，IEC60793-1-4（1995），GB8401-87，GB/T 9771-200X等）。插入法的原理很简单，即先使用一根短标准跳线连接光源和功率计之间，记录功率值P0，再用待测光纤代替短跳线，测量这种情况下的功率计P1，用这两个功率的差（p1-p0）除以待测光纤的长度(L)，即可得到待测光纤单位长度的损耗值（dB

16、/km）。 需要注意的是尽可能保持其它条件不变，光纤位置、弯曲程度、连接头等都尽量保持不变，并且保证光纤中的模式受到均匀的激励。表示如下：剪断法的基本原理是将待测光纤接入光源和功率机之间，然后纪录这个时刻的功率值P1，再将光纤在离光源耦合端保留大约20cm，测量此时的光功率值P0，然后再利用上式计算光纤的损耗值。剪断法所用仪器简单，测量结果准确，因而被确定为测量光纤损耗的基准方法，但这种方法是破坏性的，不利于多次重复测量，所以在实际应用中，多采用插入法。此外，由于瑞利散射光功率与传输光功率成比例。还可以利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗，这种方法称为后向散射法，所用的仪器为光时

17、域反射仪（OTDR），这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便，OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，还可以测量连接器和接头的损耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的位置，是光纤通信系统工程现场不可缺少的工具之一，但其价格也十分昂贵。本实验采用插入法来测量G.652单模光纤的损耗值。实验内容与步骤1310 1535 DFB1555 DFB高频信号源WDM接收机接收机鉴相器显示部分图1-3 色散测量实验装置示意图待测光纤或短跳线1色散测量如图3所示，左边第一部分是色散光源，包括高频信号（f=34.368MHz） 和三个光源输出端口。 中间是第2部分，放置待测光纤或者短跳线。 右

18、边部分是色散仪，有13，15两个接口，我们用1310做鉴相，测量1550即 1535-1555（20nm）带宽时候的色散量。如果1535nm和1310nm经过待测光纤后相位相差为2N+1，(-1)，不改变信号源频率使得1310nm/1555nm经过待测光纤后的相位差为2N+2，(-2在装置加电之前,先进行主体单元光路的机械调整。再用指南针确定地磁场方向，主体装置的光轴要与地磁场水平方向相平行。用指南针确定水平场线圈、竖直场线圈及扫场线圈产生的各磁场方向与地磁场水平和垂直方向的关系，并作详细记录。2.将“垂直场”、“水平场”、“扫场幅度”旋钮调至最小，按下辅助源的池温开关，接通电源开关。开射频信

19、号发生器、示波器电源。电源接通约三十分钟后，铷光谱灯点燃并发出紫红色光，池温灯亮，吸收池正常工作，实验装置进入工作状态。3.主体装置的光学元件应调成等高共轴。调整准直透镜以得到较好的平行光束，通过铷样品泡并射到聚光透镜上。铷灯因不是点光源，不能得到一个完全平行的光束，但仔细调节，在通过聚光透镜即可使铷灯到光电池上的总光量为最大，便可得到良好的信号。4.调节偏振片及1/4波片，使1/4波片的光轴与偏振光偏振方向的夹角为/4以获得圆偏振光。写出调节步骤和观察到的现象。2光抽运信号的观察扫场方式选择“方波”，调大扫场幅度。再将指南针置于吸收池上边，设置扫场方向与地磁场方向相反，然后拿开指南针。预置垂

20、直场电流为0.07A左右。用来抵消地磁场分量。然后旋转偏振片的角度、调节扫场幅度及垂直场大小和方向，使光抽运信号幅度最大。再仔细调节光路聚焦，使光抽运信号幅度最大。光抽运信号波形扫场波形图2-1（扫场波形中要加电场为零的纵轴线）铷样品泡开始加上方波扫场的一瞬间，基态中各塞曼子能级上的粒子数接近热平衡，即各子能级上的粒子数大致相等。 因此这一瞬间有总粒子数7/8的粒子在吸收光，对光的吸收最强。随着粒子逐渐被抽运到MF=+2子能级上，能吸收+的光粒子数减少，透过铷样品泡的光逐渐增强。当抽运到MF=+2子能级上的粒子数达到饱和时，透过铷样品泡的光达到最大且不再变化。当磁场扫过零（指水平方向的总磁场为

21、零）然后反向时，各塞曼子能级跟随着发生简并随即再分裂。能级简并时铷的子分布由于碰撞等导致自旋方向混杂而失去了偏极化，所以重新分裂后各塞曼子能级上的粒子数又近似相等，对光的吸收又达到最大值，这样就观察到了光抽运信号，如图4-4-1。3.磁共振信号的观察扫场方式选择“三角波”，将水平场电流预置为0.7A左右，并使水平磁场方向与地磁场水平分量和扫场方向相同(由指南针判断)。垂直场的大小和偏振镜的角度保持前面的状态不变。调节射频信号发生器，频率可以观察到共振信号如图4-4-2，对应波形，可读出频率及对应的水平场电流I。再按动水平场方向开关，使水平场方向与地磁场水平分量和扫场方向相反。同样可以得到。这样

22、水平磁场所对应的频率为,即排除了地磁场水平分量及扫场直流分量的影响。用三角波扫场法观察磁共振信号时，当磁场值与射频频率满足共振条件式（4-4-7）时，铷原子分布的偏极化被破坏，产生新的光抽运。因此，对于确定的频率，改变磁场值可以获得Rb87或Rb85的磁共振。可得到磁共振信号的图像。对于确定的磁场值（例图2-2如三角波中的某一场值），改变频率同样可以获得Rb87或Rb85的磁共振。实验中要求在选择适当频率（600KHz）及场强的条件下，观察铷原子两种同位素的共振信号并详细记录所有参量。4测量gF因子 为了研究原子的超精细结构，测准gF因子时很有用的。我们用的亥姆霍兹线圈轴线中心处的磁感强度为式

23、中N为线圈匝数，r为线圈有效半径（米）， (2-8)I为直流电流（安）。B为磁感强度（特斯拉），（4-4-7）式hv= gFuBB，普朗克常数h=6.62610-34焦耳秒，玻尔磁子uB=9.27410-24焦耳/特斯拉。利用（4-4-7）和 (4-4-8)两式可以测出gF因子值。要注意，引起塞曼能级分裂的磁场是水平方向的总磁场(地磁场的竖上分量已抵消)，可视为B=B水平+ B地+ B扫，而B地、B扫的直流部分和可能还有的其它杂散磁场，所有这些都难以测定。这样给直接测量gF因子带来困难，但只要参考霍尔效应实验中用过的换向方法，就不难解决了。测量gF因子实验的步骤自己拟定。有实验测量的结果计算出

24、Rb87或Rb85的gF因子值。计算理论值并与测量值进行比较。 5 .选作（实验步骤自拟）1.分析观察到的现象，设法估计光抽运时间常数。2.测出西安地磁场的竖直分量、水平分量及西安地磁倾角。思考题实验三 光纤传感实验研究第一部分 光纤温度传感系统特性实验实验目的1、了解利用干涉技术实现光纤传感的方法2、了解光纤温度传感工作原理实验原理光纤传感器的工作原理简单可以归纳为通过光调制器使光纤的传输参数或载波光波参数随待测信号的变化而改变。本实验中是通过对位相的改变来实现对温度的测量。相位调制是光纤传感中最重要的传感技术，其基本的传感机理是，在待测场能量的作用下，使光纤中传播的光波发生相位变化，再以干

25、涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，实现对待测物理量的检测。下图示出了利用光纤双光束干涉仪传感测量的原理图。图中，两根单模光纤中的一根作为参考臂，另一根作为探测臂，干涉仪工作时，有He-Ne 激光器发出的激光经过分束器分别输入两根长度基本相同的单模光纤，参考臂置于恒温器中，它在测温过程中的光程始终保持不变，把参考光纤和信号臂光纤的输出端合在一起，两束光即会产生干涉，从而出现了干涉条纹，当信号臂光纤受到温度场的作用后，长度与折射率发生变化，其相位为 式中 He-Ne 激光器的波长n单模光纤的折射率，一般为1.458L光纤长度对上式微分，得到单位长度上的相位变化为可知，感知温度引起的相位变化主要取

26、决于dn/dT项。干涉条纹移动的数量反映出被测温度的变化，再用光探测器来接收干涉条纹的变化信息。实验仪器He-Na 激光器，物镜，分束器，CCD，监视器，一字螺丝刀，视频线实验内容与步骤1、 小心取下控件箱侧面的输入输出光纤，注意光纤端面是否已处理过2、 按图2 连接好装置3、 调节五维支架，使激光较好的耦合入光纤，观察得到较清晰的干涉条纹为止；4、 打开温度控制开关，表盘上显示的时当前的室温，等其预热一段时间（发现表盘的示数有变化，在升高即可）。选取一个数值T0 作为基数，开始记录条纹变化(以监视器上某固定位置作为基准从而实现计数)。同时通入的电流会给热敏电阻加热，使温度继续上升，建议温度每

27、变化1度记录一次条纹变化的数量。共测量810 组数据并将其填入下列表格中；5、 注意：该实验由两人一组共同完成。实验过程中，一人观察监视器上的条纹变化数目，另一个人观察表盘上温度变化，同时在每升高一度的时候通知同伴。实验记录1、初始温度：T0=_ C，2、实验数据表3-1温度变化t条纹移动数3、据实验数据描绘光纤温度传感温度变化与条纹的关系曲线第二部分 光纤压力传感系统特性实验实验目的1、 了解利用干涉技术实现光纤传感的方法2、 了解光纤压力传感工作原理实验原理其基本原理同温度传感实验。对于压力光纤传感器，需要根据弹性力学给出应变效应（L/L）和光弹效应与压力变化的关系式。式中P 是作用于光纤

28、上的压力；1、2 是光纤发生的横向应变。3=L/L 是光纤发生的纵向应变；P11、P12 是光纤材料的弹性光学系数。n 是材料折射率。由上式可知光纤受压后的应变情况。实验仪器He-Na 激光器，透镜，分束器，监视器，CCD，视频线，一字螺丝刀实验内容与步骤1、 小心取下控件箱侧面的输入输出光纤，注意光纤端面是否已处理过2、 按图1 连接好装置3、 调节五维支架，使激光较好的耦合入光纤，观察得到较清晰的干涉条纹为止4、 打开电压控制开关，加载电压。记下初始电压显示值V0。5、 调节控制旋纽，改变输入电压从而使PZT 产生形变使测量臂光纤的长度发生变化，从而观察干涉条纹的变化(以监视器上某固定位置

29、作为基准从而实现计数，建议电压每改变5V记录一次数据)实验记录1、 记录多次对应电压下的条纹改变数初始电压：V0=_ V，表3-2电压变化v条纹移动数电压变化v条纹移动数2、 根据实验数据描绘光纤压力传感电压改变与条纹变化关系曲线实验四 光栅光谱仪实验讲义实验目的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实验仪器WDS系列多功能光栅光谱仪,计算机实验原理图1光栅光谱仪示意图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以及输出狭缝S2构成。衍射光栅

30、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，就构成一块反射试验射光栅。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，为入射角，为衍射角，则可导出光栅方程： （4-1）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，光栅方程变为。衍射角度随波长的变化关系

31、，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， （4-2）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

32、出射波长和光栅角度之间的关系（如图2所示） ， （4-3）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。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以及输出狭缝S2构成。实验装置图2 光栅转动系统示意图2转台衍射光入射光光栅WDS系列多功能光栅光谱仪的操作由计算机操作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度、出射狭缝宽度和负高压（光电倍增管接收系统）不受计算机控制用手工设置外，其它的各项参数设置和测量均由计算机来完成。WDS系列多功能光

33、栅光谱仪结构框图如右图所示。1 光学系统光谱仪光学系统，如图1所示：M1准光镜、M2物镜、M3转镜、G平面衍射光栅、S1入射狭缝、通过旋转M3选择出射狭缝S2或S3从而选择接收器件类型，出射狭缝为S2则为光电倍增管或硫化铅、钽酸锂、TGS等接收器件；出射狭缝为S3则为CCD接受器件。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、钨灯、钠灯、汞灯等各种

34、光源。2 电子系统电子系统由电源系统、接收系统、信号放大系统、A/D转换系统和光源系统等部分组成。电源系统为仪器提供所需的工作电压；接受系统将光信号转换成电信号；信号放大器系统包括前置放大器和放大器两个部分；A/D转换系统将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行处理。3 软件系统WDS系列多功能光栅光谱仪的控制和光谱数据处理操作均由计算机来完成。软件系统主要功能有：仪器系统复位、光谱扫描、各种动作控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数据文件管理、光谱数据的计算等。WDS系列多功能光栅光谱仪器系统操作软件根据型号不同和接收仪器不的同配有PMT操作系统和CCD操作系统。每一系统均可采用快捷键和下拉菜

35、单来进行仪器操作，下面分别进行说明。3.1 PMT操作系统 开机与系统复位确认光栅光谱仪已经正确连接并打开电源。在WONDOWS操作系统中，从“开始”“程序”“WDS系列光栅光谱仪”中执行相应的PMT可执行程序，或双击桌面上的快捷方式，启动系统操作程序。在系统初始化过程后应有波长复位正确的提示，然后按“确定”进入系统操作主界面。菜单栏的使用系统菜单栏包括文件、测量方式、数据处理、系统操作和帮助五项内容。.1文件文件菜单中包括新建、打开、存盘、参数设置、打印和退出系统等项。其中，新建，即清除当前图谱文件并重新建立一个图谱文件。打开，即打开已存图谱文件，可根据系统提示选择文件所在路径。存盘，即保存

36、当前图谱文件，可根据系统提示选择文件保存路径。参数设置，即根据测量需对系统参数进行相应的参数设置。在测量模式一栏中，可选择能量或透过率测量，并在系统允许的范围内，对起始刻度和终止刻度进行设置。能量（-4095），透过率（0-100）。在扫描速度一栏中，可对扫描记录数据的速度进行相应的设置，当样品未知时，一般可选择快速或中速，对于不同的仪器型号会稍有所不同。在扫描方式一栏中，可选择测量为连续方式或重复方式，或在当前波长对时间进行记录。在波长范围一栏中，可根据需要在系统允许的波长范围内对其进行相应的设置。系统允许的波长范围根据仪器型号的不同有所不同。在光谱带宽一栏中，系统设置为手动，即根据测量需要

37、对出射、入射狭缝宽度进行相应的设置。系统默认增益为1，若信号较弱，可适当选择增益（1-4）。打印，即根据提示对话框，打印当前图谱。退出系统，当结束系统测量，选择此项，根据提示退出光栅光谱仪操作系统。.2 测量方式测量方式菜单中包括光谱扫描、基线扫描和时间扫描等项。其中，光谱扫描，即根据当前参数设置对当前光谱进行记录。基线扫描，当选择了透过率测量方式时，在光谱扫描之前首先要对系统进行基线扫描以记录系统当前状态，在进行基线扫描时，状态栏显示值一般应在0-4095之间。时间扫描，即在当前参数设置情况下，对当前波长进行时间记录。.3 数据处理在数据处理菜单中包括刻度扩展、局部放大、峰值检索、峰值显示、

38、读取数据、光谱平滑、光谱微分和光谱运算等项。其中，刻度扩展，指对当前横、纵坐标的起始、终止刻度在系统允许的范围内进行相应的放大或缩小。点击此项功能将弹出如图6所示对话框。局部放大，指对当前图谱文件进行部分放大。峰值检索，指读当前图谱文件中一定范围内的峰值进行检索并将结果显示出来。点击此项弹出如图7所示对话框，提示输入峰值高度，输入峰值高度后，点击确定即可。读取数据，即读取当前图谱的横、纵坐标数据，可选择列表方式或光标读取方式。光谱平滑，点击此项系统将对当前图谱文件进行平滑处理，以去掉噪声或过小的峰值，来方便图谱的读取或辨别。光谱微分，点击此项功能可对当前图谱进行一至四次微分。光谱运算，点击此项

39、系统弹出提示对话框，提示选择当前图谱与任意常数的加、减、乘、除四则运算。.4 系统操作系统操作菜单中主要包括波长检索、波长校正、系统复位和系统设置等项。其中，波长检索，点击此项系统弹出如图8所示波长检索对话框，提示输入目的波长，波长范围为系统允许波长范围内的任意波长值。波长线性校正，当对光栅光谱议仪器系统检测发现系统波长值与准确波长不对应时，可通过此项对系统波长进行校正，在对话框中输入系统值与实际波长值的差值，点击确定即可。系统复位，当仪器在运行过程中发现有不正常现象出现时，可点击此项对系统进行重新复位，以消除影响。系统设置，即系统调试时用到的一些数据，用户不可更改。.5 帮助帮助菜单中提供了

40、厂商及仪器版本信息。 工具栏的使用工具栏中主要包括新建、打开、保存、打印、光谱扫描、参数设置、波长检索、读取数据、峰值检索、刻度扩展、屏幕刷新和停止等项。其中，新建、打开、保存、打印、和参数设置等项包含于菜单栏的“文件”菜单中；光谱扫描包含于菜单栏的“测量方式”菜单中；波长检索包含于菜单栏中的“系统操作”菜单中；读取数据、峰值检索和刻度扩展包含于菜单栏中的“数据处理”菜单中。屏幕刷新，即刷新当前图谱屏幕显示以清除数据标注的字符。停止，点击此项，系统将停止当前操作。 退出系统与关机当系统测试结束后，将出射、入射狭缝调节至0.1mm左右，若有负高压系统，则将负高压调节至零。点击菜单栏中“文件退出系

41、统”，按照提示关闭电源退出仪器操作系统。3.2 CCD操作系统 开机于系统复位确认光栅光谱仪已经正确连接并打开电源。在WINDOWS操作系统中，从“开始”“程序”“WDS系列光栅光谱仪”中执行相应的CCD可执行程序，或双击桌面上的快捷方式，启动系统操作程序。在系统初始化过程后应有波长复位正确的提示，然后按“确定”进入系统操作主界面。 菜单栏中使用系统菜单栏中包括文件、采集、数据处理、系统操作和帮助五项内容。下面分别进行介绍。.1 文件文件菜单中包括新建、打开、存盘、测量参数、打印和退出系统等项。其中，新建，即清除当前图谱文件并重新建立一个图谱文件。打开，即打开已存图谱文件，可根据系统提示选择文

42、件所在路径。存盘，即保存当前图谱文件，可根据系统提示选择文件保存路径。测量参数，即根据测量需对系统参数进行相应的设置，通常情况下采取默认值即可。打印，即根据提示对话框，打印当前图谱。退出系统，当结束系统测量，选择此项，根据提示退出光栅光谱仪操作系统。.2 采集采集菜单中包括一次采集、连续采集和门值设置等项。其中，一次采集，即在当前中心波长对当前光谱进行一次性记录。连续采集，即在当前中心波长对当前光谱进行连续性记录，时时刷新。门值设置，系统默认门值设置为-1，当要去除较小的峰值时，可通过设置门值来进行限制。.3 数据数理数据处理菜单中包括读取数据、光谱平滑、峰值检索、刻度扩展、显示光谱参数、像元

43、波长转换和谱线运算等项。其中，读取数据，即读取当前图谱的横、纵坐标数据，可选择列表方式或光标读取方式。光谱平滑，点击此项系统将对当前图谱文件进行平滑处理，以去掉噪声火过小的峰值，来方便图谱的读取或辨别。峰值检索，指读当前图谱文件中一定范围内的峰值进行检索并将结果显示出来。点击此项弹出对话框，提示输入峰值高度，输入峰值高度后，点击确定即可。刻度扩展，指对当前横、纵坐标的起始、终止刻度在系统允许的范围内进行相应的放大或缩小。点击此项功能将弹出对话框。显示光谱参数，即显示当前光谱的测量参数。像元波长转换，即选择将系统操作界面的横坐标用像元或波长的方式显示。谱线运算，即对当前光谱的与常数加、减、乘、除

44、四则运算。.4 系统操作系统操作菜单中主要包括检索仪器中心波长、检索谱线中心波长、零点波长校正、系统参数设置和系统复位等项。其中，检索仪器中心波长，即将操作系统界面显示的中心波长检索至目的波长处。检索谱线中心波长，即若当前显示的图谱文件中心波长非仪器当前中心波长时，用此项功能将仪器中心波长检索值谱线中心波长。零点波长校正，当对光栅光谱仪器系统检测发现系统波长值与准确波长不对应时，可通过此项对系统波长进行校正，在对话框中输入系统值与实际波长值的差值，点击确定即可。系统参数设置，即系统调试时用到的一些数据，用户不可更改。系统复位，当仪器在运行过程中发现有不正常现象出现时， 可点击此项对系统进行重新复位，以消除影响。 工具栏的使用工具栏中主要包括新建、打开、保存、打印、波长检索、参数设置、读取数据、峰值检索、刻度扩展、放大、缩小和屏幕刷新等项。其中，新建、打开、保存、打印和参数设置等项包含于菜单栏的“文件”菜单中；波长检索包含于菜单栏中的“系统操作”菜单中；读取数据、峰值检索和刻度扩展包含于菜单栏中的“数据处理”菜单中；一次采集和连续采集包含于“采集”菜单中。屏幕刷新，即刷新当前图谱屏幕显示以清除数据标注的字符。停止，点击此项，系统将停止当前操作。 退出系统与关机当系统测试结束后，将入射狭缝调节至0.1mm左右