光学多道分析器

近代物理学实验报告光学多道分析器实验组员： 付静静 091204121陈聪 091204120实验班级：电信科学 091 班指导老师： 李 鸣2011-12-15一、实验目的1 了解电耦合器件（ CCD ）的原理并掌握 OMA 系统的工作原理与使用注意 事项。2 用低压汞灯谱线作为一只波长进行波长测量定标，观测并记录钠灯光谱。 二、实验原理光学多通道分析仪原理为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，衍射时有光栅方程：d sin 0 = k 九,k = 0, 1, 2式中d是光栅常数，久是入射光波长，k是衍射级次，3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、很锐的亮线。由dsin3=kX可知，级次间距对应d cos0A0二九,A0二九/（d cos0），当角度3较小的时，角度间隔A3最小，当角度3增加时，角度间隔A3增加。所以光 谱排列并非按角度3线性分布。当角度3较小时可以简化为线性，即可采用 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， 在本实验中，我们采用线性定标。定标：是指在相同的衍射级次（一般取第 1 级次）下，采集已知谱线， 然后对已知谱线定标，随即将横坐标由 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，可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心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一 个位臵来实现的，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。定标使用谱线位臵的远近，以及采用的是几次定标，都会影 响到数据的准确性。WGD-6型光学多通道分析器由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、 电子放大器、A/D采集单元及计算机组成（结构见下图）。它集光学、精密 机械、电子学、计算机技 术于一体，可用于分析 300nm900nm 范围内的WGD-6 型光学多通道分析器原理图CCD 传感器是 WGD-6 型光学多通道分析器数据采集部分的核心，也是整 个系统的关键所在，它的作用是将衍射光谱转换成电信号。CCD 全称电荷耦合器件(ChargeCoupled Device)是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式 传输电荷量的新型器件。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性 高等一系列优点。自1970年问世以来，发展迅速、应用广泛。CCD线列已用于光谱仪，将它置于光谱 仪的光谱面，一次曝光就可获得整个光谱，并且易于与计算机连接。面阵CCD已用于电视摄像机和卫 星遥感器。CCD 的工作过程是：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。WGD-6型光学多通道分析器数据采集部分的另一个作用是将线阵CCD 输出的模拟电压信号转换成数字电压信号，并存储在外部RAM中。这样数据 就成为计算机能够读取的有效数据了。计算机处理部分的功能是控制整个系统工作，将数据由外部RAM中读入、 并保存在内部RAM并作分析、处理，最后计算出结果并根据要求显示和打印。 因此对于计算机的使用是本次实验的关键，实验之前必须把软件的说明仔细阅 读，同时对于计算机与光学多通道分析器的连接线路也应该仔细研究。最后考 虑到数据量可能比较大，我们需要耐心等待实验结果并且尽量不干扰仪器获得 的数字电压信号及原始数据。三、实验步骤：1 根据实验装置图连好实验仪器，使光源聚集在多色仪的缝上。调多色仪的缝 隙为0.10.5mm。狭缝越小越好，但是不能调过零对仪器损害很大。2 打开计算机、 CCD 电源，打开软件，将汞灯置于适当位置，点击软件的背 景记忆进行背景过滤，打开汞灯，调节中心波长为 400nm 并进行实时数据 采集。根据汞灯波谱的细锐程度，适当调整光源和透镜的位置及狭缝的大小 使出现的谱线锐利至谱线峰值为单线。3 得到较细锐的波谱后，用菜单栏上数据处理中的自动定标，对汞灯的波长定 标。对应上术表格中的各种波的波长，分析自动定标所得到的几条谱线之间 的波长差。根据它和已知的标准波长值表相对照，认出他们的标准波长。然 后用手动定标的方式，重新对汞的谱线精确定标。4 接下来将汞灯光源换为钠灯光源，采集同一波长范围内的待测钠光源的光谱 然后对其进行寻峰(采集钠光光谱所用的寄存器必须是汞光谱定标所在的寄 存器)就可得出同一波长范围钠光的波长。四注意事项1、扳动扳手要轻扳轻放，移动光源要注意安全。2、定标之后不要调整界面参数，也不可单击手动前进和后退按钮以保持采集帧的固3、为延长使用寿命，狭缝调节时注意最大不超过2mm,平日不使用时，狭缝最好开 到0.10.5mm左右。4、为保护CCD接收系统，请避免强光直射入缝。五、数据处理 实验数据处理后的图像如下图1、 2I SMus 1 nneEG沛ql咆當=雇邑氷苗e需sqpdtMft-Ma算邑訓嘗m: in3111-Hi 茄器*-s. SB葬盟j L站齋弓,更口1口図因0E0SSSHSS1000STO3000uror二凶-PI孑孑昔星匕IS.EB 一非豆一妙妄-衆一甲IH一姦一窃!&-罠IB一兰唇F一”LA-n証r-?iS iihaERa 4iL台S号大直点二CK.K. KknJri nJc-2E-1E-8宙有冃皿林a -8r數底肛斎框I対I Gnni- 4016.01JRMjJ瓦畑彌Dfi-t-b4211 0DH2D 00S41.DD田I# ggggg曰焰I曇I兄副列曲 因-Qel Syv-n -Mb? IE戸器小9-口匚匚匚图 2 ：钠光灯测量图 六、实验总结 在实验操作过程中，我组成员由于没搞懂怎样定标和如何确定 Hg 的特征谱 线的方法，导致在实验操作过程中遇到了很大的问题，影响了实验的进度。例如： 对于光谱测量的历史了解不够，以至不太清楚当前所用的光学多道测量仪的改进 与工作的实质原理；对于汞的光谱分析不够，导致定标时的错误；还有对于软件 使用的疏忽导致在已知光谱的调节上投入的大量的时间。但是，通过李鸣老师的 指导和同学间的讨论，最终还是解决了在实验中所遇到的一系列问题，达到了实 验的预期目标。