光栅光谱仪实验报告

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1、光栅光谱仪实验报告09级应用物理学 03班 40908020323 肖金龙 2012.03.28光栅光谱仪系统(Grating spectrum-meter system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。无论是穿透吸收光谱，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O.OOlnm),自动波长扫描，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，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光 谱研究的首选。一、实验目的1. 掌握发射光谱测试系统，光学元

2、件的透射率光谱,反射率光谱测试系统以 及荧光光谱测试系统的搭建2. 学习利用电脑自动扫描多光栅单色仪测试各种光源特性谱线，学会分析 各种光学元件的反射、透射谱线。3. 学习利用组合多光栅单色仪测试物质荧光光谱，分析荧光物质成分。二、光栅光谱仪测试系统组件名称I. LHT75溴钨灯光源室+LPT75溴钨灯稳流电源(bromine tungsten)2LHM254 波长校准汞灯光源(The Hg lamp house for calibrating grating, the character wavelength is 254nm)3. NFC-532-15陷波滤波装置The 532nm wav

3、elength is bound when light from the lamp house crossing the filter.4. SPB3OO 300mm 光栅光谱仪(the focus is 300nm)5. SPB500 500mm光栅光谱仪6SD 六挡滤光片轮 the light filer for six steps7SAC 三口样品室 sample house10. DCS102 数据采集器 data acquisition implementII. PMTH-S1-CR131 光电倍增管 photo multiplier tube12. HVC1005 高压稳压电源 r

4、egulated power supply in high voltage三、光栅基础知识及实验原理图当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光， 再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同， 由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。1. 光栅基础光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分 为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机 械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是 三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。

5、刻 划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可做到高光 谱分辨率。选择光栅主要考虑如下因素：(1) 闪耀波长:闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀 波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为 500nm。(2) 光栅刻线:光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线 少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。(3) 光栅效率:光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效 率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外， 还采用特殊镀膜，提高反射效率。2. 光栅方程1入射皱前衍能前图 1 反射式衍射

6、光栅反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的 间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射 相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向 出现，这些方向确定了衍射级次。如图1 所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐 射与光栅法线入射角为弘 衍射角为”，衍射级次为m, d为刻槽间距，在下述 条件下得到干涉的极大值：d (sin a + sin 卩)=m 九定义屮为入射光线与衍射光线夹角的一半，即申=(a-B)/2； 0为相对于零级光 谱位置的光栅角，即扫(a+”)/2,得到更方便的光栅方程：2d cos 申 sin 0 =

7、 m九(2)从该光栅方程可看出：(1) 对一给定方向，可以有几个波长与级次m相对应久满足光栅方程。比如600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。衍射级次 m 可正可负。(2) 对相同级次的多波长在不同的”分布开。(3) 含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变a,则在a+P不变的方向得到 不同的波长。3. 不同测试系统实验原理图1. 透射/反射光谱光度系统2. 荧光光谱系统HVC1005高压稳压电源氙灯稳压电源四、以溴钨灯为光源测试材料的反射、透射光谱实验步骤1溴钨灯光谱范围(1) 溴钨灯光谱响应范围：2502500

8、nm(2) PMTH-S1-CR131光电倍增管探测器响应波长范围：185900nm2. 通过光电倍增管探测器探测荧光谱线(2) 将数据采集器后板单色仪口(monochromator)用数据线与单色仪SBP500 连接，再将单色仪(SBP300与SBP300)的输出口与电脑主机的数据线口 连接(3) 将HVC1005型高压稳压电源的输出电压口与光电倍增管的高压线口连接(4) 将氙灯电源输出端(氙灯电源)与氙灯光源室连接(5) 开启溴钨灯电源，电源指示灯亮(6) 将电流调节旋纽顺时针调到最大,再按触发按纽,溴钨灯光源室灯变亮后松 开触发按纽，然后调节电流旋纽到工作电流范围内(溴灯工作电流:7.5

9、9A)(7) 通过计算机控制SBP300单色仪，选择可见光范围内的一入射波长，打开 样品室，调节载物台，使通过载物台上直角棱镜上的反射光能完全进入样 品室的出射狭缝上，然后选择合适的材料的激发波长。(8) 打开 HVC1005 型高压稳压电源，调节连续电压旋钮，使输出电压合适(注 意每次打开样品室时，一定要关掉 HVC1005 型高压稳压电源，否则光电 倍增管容易烧坏) 。(9) 将 SBP500 单色仪电源开关打开，将听到光栅转动的喀嚓声，待声音停止 后再打开数据采集器的开关。(10) 打开 SCS 光谱仪控制系统，进入数据采集界面，在左上角选择参数设置， 进入参数设置界面(10) 数据采集

10、器有两个通道(A, B)，观察探测器与哪个通道连接，然后在参 数设置中选择相应的通道，由于我们用的是光电倍增管探测器探测信号， 所以我们选择模式为电流输入，再选择合适的增益数。(11) 参数设置完之后按确定按纽，如果采集系统状态出现“连接成功”红色字 样再进入数据采样界面，选择采样光栅数，对起始波长、终止波长以及扫 描间隔设数，然后进行采样，在采样界面观察荧光发射谱线。六、实验结果光电倍增管的响应波长范围:185-900n m,型号:PMTH-SL-CR131SBP300电流(I):5.77A电压(V):90V起始波长：250nm终止波长： 900nm溴钨灯电流:7.59A激发波长:350nm荧光谱线分析图如下：1000090000800007000III一一K 一啞g 门0600005000040000300020000100000000250.00 300.00 350.00 400.M 450.00 500.00 550.00 600.00 650.00 700.00 750.00 800.00 850.00 900.00Wavelength (nm)度强对相波长（nm）实验数据如下: