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1、光学测量中的问题和注意事项 测量分类 n光学参数的测量 n迈克尔逊实验 n光学参量的应用测量 n超声光栅应用 n反射式全息片的拍摄 n气体发射光谱探测 n光学设计初步 n吸收光谱探测 n散射全息技术 实验组件排列示意图 实验中的问题 n光学系统的组成 n光学单元： n光学表面的保护：专用的镜头纸以及洗耳球 n实验操作注意事项：手以及非专用工具不能直接接触光学表面 n机械部件 n精密位移结构：行程不可过度使用 n重复精度：需要单程定标 n机械低频阻尼振动：平台需要减震以及必要的自行减震设计 n电子单元 n响应度： n灵敏度： n响应速率： 光栅光谱仪与OMA 内 容 l一、引言： 介绍光谱仪的基
2、本情况 l二、OMA： 说明什么是OMA CCD的知识 l三、WGD6型光谱仪： 结构和特点 l四、WGD6在教学中的应用：Na 原子 光谱 l五、其它： 其它相关谱仪 一、引言 l电磁波的强度作为波长或频率的函数即为所谓波谱 。 l在电磁波谱中，一般将波长从110-21103 m的谱段称为光学光谱。 l光学光谱又可进一步分为： 真空紫外: 110-2210-1 m 近紫外可见： 210-1710-1 m 近红外： 710-11100 m l其它波段的电磁波谱有： l 谱，X射线谱，电子顺磁共振谱，核磁共振 l波谱特别是光谱是研究物质成份和结构的重要手段 。 光谱仪的构成 l光谱仪一般由5部分
3、构成： 1.光源2.照明准直3.分光4.成像5.接收 1. 原子发光和吸收 2. 分子吸收 3. 喇曼散射 4. 荧光 5. 激光 6. 氙灯 钨灯 1. 物质（棱镜） 2. 衍射（光栅） 3. 干涉（FP） 4. 付氏 1. 直读 2. 照相 3. 光电 4. CCD 5. CMOS 光谱仪追求的目标 1.分开不同波长的光： 波长分辨本领 2.记录不同波长的光的强度：强度分辨本 领 3.时间分辨本领 4.效率 5.价格 二、OMA (Optical Multichannel Analyzer) lOMA广义指能同时测量多种波长的光强的光谱系统，狭 义指以CCD（CMOS）作光强读出系统的光谱
4、仪。 l主流读出系统的演变： l 直读（单通道，强度分辩本领极低，无时间分辨） l 摄谱（多通道，强度分辩本领较低，无时间分辨，低效 ） l 光电（单通道，强度分辩本领高，无时间分辨，低效） l CCD（多通道，强度分辩本领高，时间分辨，高效） CCD (Charge-Coupled Device) 结构： 金属-氧化物-半导体 工作原理： 反型层 非平衡 存储电荷包 光子产生电子-空穴对 以电荷数量表示光强 l用系列脉冲将电荷送出 l电荷包的传出示意图 图2 三相CCD传输原理图 (a) (b) t1 t2 t3 (c)(d) t1 t2 t3 t4 CCD的主要性能指标 l象元数： 204
5、8 l象元尺寸：10 l总尺寸： 2cm l动态范围: 212 l光谱范围: 紫外至近红外 l驰豫时间: 数十秒 l象元均匀性： CCD优点 l自扫描 光谱范围宽 体积小 功耗低 寿命长 l使用中的问题： 基线0 坏象元-无光照有峰 三、WGD6型OMA l结构见右图 l光栅作色散 元件 l步进电机驱 动正弦机构 lCCD测量光强 l微机控制、 采集 Czerny-Turner结构和正弦机构 2dcossin=n sin=x/L x 光谱范围 由闪耀波长b定 2/3b2b b=500nm 333nm1000nm 理论分辨本领 R=/=kN k=1 , L=50mm , 600/mm ,R=30
6、000 . =500nm , =0.017nm 色散部分 CCD 象元尺寸： 1414m 中心距14m 象元数：2048个象元 尺寸： 28.672mm 动态范围：4096 光谱范围：0.31 m 与光栅的相当 仪器分辩率 成像透镜焦距： F=302mm 刻痕密度：600/mm 线色散为：5.55 nm/mm CCD分辨率为: 0.077nm 实际分辨率由象差、缝宽、象元尺寸确定 整机波长分辨率不优于：0.077 nm 光栅分辨率 0.017nm 为达到0.077 nm 缝宽应14m 即 0.014mm 单幅波长范围为 : 158nm 不能覆盖整个光谱范围 l优点： l速度快N倍 l可测一谱带
7、 l无机械扫描系统 l对光源稳定性要求低 l可测动态光谱（时间分辨） l动态范围：4096 课前讨论 l为何棱镜逐步被光栅取代？ l光栅与棱镜的比较： 棱 镜光 栅 色散原理材料性质光栅方程 色散率材料性质光栅常数 分辩本领材料物性尺寸光栅尺寸 光强利用率高低 （闪耀光栅克服） 错序无有（滤波克服） 定标难易 自动化难易（正弦、余割机制） 光谱范围受限（透射）不受限（反射） 四、教学实例：Na 原子光谱 l为什么要定标？ 光谱仪精度为： 0.4nm 重复性为： 0.2nm 均大于0.077nm 尽管原则上光栅光谱可以直接给出波长值，但其中要涉及光栅 角位置、狭缝位置、光栅常数、成像透镜焦距、C
8、CD位置等众多 因素，会引入相当大的误差。定标能消除上述各种因素带来的误差 使波长精度达 0.1 nm。 定标方法是固定光栅位置，用己知波长的光源来确定波长与道 数之间的关系。 最佳定标策略：拟合公式与实验结果谁更可靠？ 如拟合公式可靠：尽可能多的实验点。 如实验结果可靠：尽可能靠近又恰能夹住待测谱线的两条标准 谱线线性拟合。 主要问题 1.狭缝照明：均匀照明 2.二级衍射识别： 滤波 3.标准谱线的辨认：波长与谱线位置近似线 性 4.弱谱线的测量：重复测量叠加 5.谱峰读出：定标与测量统一 其它应用 l发射光谱： 测量各种光源的波长和光谱分布 l吸收光谱： 固体干涉滤光片、色玻璃、薄膜材料等
9、 液体吸收系数 l散射光谱 液体荧光光谱分布 六、WGD-8型光谱仪 l特点 F=500mm 光栅为1/2400 L=70mm 分辨率R提高了 5.6倍 R=168000 =300nm , =0.0017nm =500nm , =0.0029nm =600nm , =0.0036nm 线色散提高了 5/34=6.7倍 D=0.83nm/mm 如狭缝为0.01mm 则可分辨0.008nm的谱线 狭缝对分辨率的影响 l由于衍射的作用狭缝不是越狭分辨率 就越高 l仪器的孔径光阑为D，由它引起的衍 射角为/D，若焦距为F，则其宽度 为F/D l定义简约宽 度u u=aD/ F a=u F/D F/D=
10、7, =0.5m, a=3.5 u m l u=1 a=3.5m R=0.65R0=109000 =0.0045nm l用途 l测H、D光谱 H 656.280 486.133 434.047 410.174 D 656.100 485.999 433.928 410.062 从上述数据可得到RH、RD和电子与质子之质量比 /Hme/2MP l测Na光谱的双线定出量子缺s、p、d、f 616.072 589.593 568.892 515.365 498.287 615.421 588.996 568.262 514.910 497.861 2:1 锐 1:2 主 4:6 漫 2:1 锐 4:
11、6 漫 475.189 466.860 330.294 285.302 474.802 466.468 330.234 285.283 2:1 锐 4:6 漫 1:2 主 1:2 主 实验测量中的注意事项 n实验的全真记录！ n数据表格的即兴设计和工作规范 n实验中出现问题以及解决方法 n数据的有效数字位数的取舍 n数据的单位换算 n实验环境和标定文件等 n1,按图制作反身物体全息片的典型光路 图（我晕，实验书那个是什么图，我不 是学素描的！，点不典型，百度都找不 到，这才是最典型的吧） http:/www.phywe.de/download/lexlong/p2260300.pdf 介绍一个绘图软件 visio 按图索骥 n使用撰写科技文章一样的方式书写实 验报告，语言符合语法规则；切忌口 语化。 n讨论：我们算是成功了，据我的同伴说， 我出去找老师的期间可以清楚看到有像， 但是老师来拍照时在空气中慢慢褪去了， 氧化所致 实验报告的语言规范 实验中的工作素质培养 n信心：充分预习是信心的保证 n耐心：确保实验进展顺利 n爱心：合作、和谐是工作的客观要求 n责任心： 就是要有责任心！
