实验名称光学多道测量光谱 班 级 物理071 姓名 骆宇哲 学号 07180132 同 组 人 沈宇能 实验日期 09/10/22 室温 气温
光学多道测量光谱
摘 要：本实验通过学生自行设计实验方案来检测汞灯检验仪器定标的准确性和钠灯氢氘
谱线波长。学习OMA-Ⅲ的使用方法，熟悉和掌握它的各项功能，如数据采集、波长定标等。
关键词： 多通道检测 定标 光谱 波长
引 言： 光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生
物、地质、冶金和考古等部门．常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱．涉及的波段从x射线、紫外光、可见光、红外光到微波和射频波段。光谱分析检测技术和光谱仪以其高灵敏、高分辨、高速度、可遥测、无污染、干扰小等一系列优点，已成为各种理、化、生物、环境信息的最佳获取手段，可为各个领域提供宏观或微观信息，成为信息时代的科技尖兵。 OMA是近十几年出现的采用光子探测器（CCD）和计算机控制的新型光谱分析仪器，它集信息采集、处理、存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理、测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率；使用OMA分析光谱，测量准确迅速、方便，且灵敏度高、响应时间快、光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机、绘图仪输出。目前，它已被广泛使用于几乎所有的光谱测量、分析及研究工作中，特别适应于对微弱信号、瞬变信号的检测
正 文：
1、实验原理
平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射。
衍射时，遵循光栅方程：
dsinθ=kλ k=0,±1,±2 （1）
式中d是光栅常数，λ是入射光波长，k是衍射级次，θ为衍射角。由光栅方程可知，当光栅常数d一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、锐的亮线。
由dsinθ=kλ可知，级次间距对应的dcos当角度/(dcos)，
较小的时候，角度间隔最小，当角度增加时，角度间隔增加。所以光谱排列并非按角度线性分布。我们在测量未知波长时是同过已知的两个或多个波长。
当角度较小时，我们可以简化为线性，可以采用线性定标。更进一步可以从级数展
开的角度采用2次、3次、或4次定标。定标完毕后，可以将结果保存为文件。但我们需要明白定标文件的使用：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次），我们采集到已知谱线，对已知谱线定标，将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长或中心波长。在本实验中的起始波长或中
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心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。
定标也是有误差的。定标使用谱线位置的远近，以及采用的是几次定标，都会影响
到数据的准确性。由于CCD的敏感波长为300nm-900nm，由公式dsinθ=kλ可知，得θ取值为10.4º-32.7º之间。
2、实验装置
（1）仪器结构
本实验使用的光学多道缝隙仪由光栅多色仪，CCD接受单元，电子信号处理单元和计算机组成。实验装置如图1示。
图1
（2）光栅多色仪
图2是平面光栅堵塞仪的光路图。通过入射狭缝的光经平面镜M1反射后，被凹面镜M2反射为平行光投射到光栅G上。由于光栅的衍射作用，不同波长的光被反射到不同的方向上，再经过凹面物镜M2反射成像在CCD感光平面所在的焦面上，还可以与选入的评面经M1放射到观察窗P或出射狭缝上。
图2
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（3）CCD光电探测器
CCD可以将光学图像转换为电学“图像”，即电荷量与各成像点照度大致成正比的电荷空间分布，因此，它可以“瞬时”记录光信号的空间分布。当CCD受到光照后，各个CCD单元内贮存的电荷量与它的曝光量成正比；若给它施加特定时序的脉冲，其内部单元存贮的信号电荷便能在CCD内作定向传输、实现自扫描，进而将由光照感生的电荷依次传送出去。
3、实验内容
1．定标
定标涉及到以下的问题:
（1）参考波长是否可靠，参考波长就是光谱采集系统显示的中心波长或起始波长，
该参数既然参考波长，一般就是有误差，不准确，差10nm左右都不会对测量结果带来影响。如果参考波长相差太远可以考虑修正波长。
（2）参考波长的修正。参考波长修正的依据是特征谱线或可见光谱线。定标一般比较关注特征谱线。人眼的可见光谱线范围大致在400nm-700nm之间，如果仪器使用起始波长作为参考，可以将起始波长设置为400nm；如果仪器使用中间波长作为参考，可以将中间波长设置为450nm。然后采集谱线，再通过CCD观察窗观察谱线的颜色，看是否是我们所需要的谱线。并注意一个屏幕的谱线差范围在150nm左右，如果两个谱线的距离明显大于波长之差，则说明观察到的应该是二级或更高级次的衍射（由于本仪器感光的限制300 nm-900nm，我们最多能够观察到2级衍射），因此实际波长大于参考波长，修正波长为负；当观察不到可见光，则说明实际波长小于参考波长，修正波长为正。我们一般采用抵压汞灯的谱线作为标准普线。汞灯的常见谱线颜色。
对波长修正的感官效果是：如果修正波长为-X nm，则我们所观察到的谱线将向右移动X nm，参考波长的标称值不变。如果修正波长为X nm，则我们所观察到的谱线将向左移动X nm，参考波长的标称值不变。
表1 低压汞灯可见光区的主要谱线波长
波长（Å） 404.66 407.78 435.84 546.07 576.96 579.07 相对光强 颜色 第三强 紫光 较弱 紫光 次强 蓝光 最强 绿光 强 黄光 强 黄光
（3）汞的特征谱线
汞三线（365.02 nm，365.48nm，366.30nm），非可见光，本仪器在第1级次衍射
不能够准确分开，在第2级次（起始波长700nm）可以分开。
404.66nm和407.78nm，是两条靠得比较近的谱线，与435.84 nm的谱线，可以用在一块定标。
576.96 nm和579.07nm是两条靠得很近的黄色谱线，可以与绿色的546.07nm谱线一
块定标。
（4）定标谱线的采集。
定标谱线的采集为了避免其他谱线的干扰，可以考虑采集背景光线，计算机会将实
际采集的谱线与背景相减，获取真实的谱线。
另外可以通过开关电源，观察谱线的变化来观察光源的谱线。
谱线采集后，根据已知的谱线进行定标，定标后将谱线保存，供测量未知谱线使用。
为了减少光栅转动带来的空回误差，可以考虑定标完成后，保持光栅的位置不变，采集未知的光谱，然后读取光谱数据。
（5）定标谱线形状的锐化。
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由于光谱是通过CCD采集的，CCD存在分辨能力和饱和问题。当谱线太弱，可以考
虑增加入射光的缝宽，来提高入射光强度，这也可能导致较强光谱的溢出，即谱线顶部变平。因此我们可以通过调节入射光孔的大小，使我们要观察的谱线比较适中（主要是顶部比较尖锐）。
4、注意事项：
1、 当扳动反射镜M4使光谱由成像在观察窗转换至CCD时，应先盖上观察窗。 2、 开始测量枪，转动光栅后和更改参数设置以后，应先进行背景实时采集。 3、 定标时必须按照道数由小到大采集。
5.实验数据结果
<上图为手机发出的光的光谱图像>
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<上图为汞灯发出的光的原子光谱>
<钠灯发出光的院子光谱--双黄线>
6.实验结论
本次试验关键在于定标这一步，在了解定标的准确含义后，以汞灯发出的光标准对实验仪器
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进行定标，定标之后的试验仪便可用来测量其他光的光谱及波长。
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