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1、实验3.4 光学多道分析器的应用传统的光谱测量技术由于受到光谱分辨率、灵敏度、时间、分析速度的限制，已经不适应科学技术的发展和应用的需要。20世纪60年代激光科学技术特别是可调谐激光技术的发展，新型光谱探测元件及探测技术的发展，光电二极管自校准技术和微弱光谱信息的接收技术和处理技术以及微处理机的应用，使光谱测量技术的发展产生了一个革命性的变化，进入了一个新的发展时期。传统的摄谱仪、光电分光光度计等光谱仪已逐渐被光学多道分析仪OMA（Optical Multi-channel Analyzer）所取代。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
2、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。【实验目的】1 了解OMA的组成及工作原理；2 学习使用OMA分析光谱的方法；3 了解计算机在数据采集、分析处理中的应用；4 分析可见光区的Hg灯光谱。【实验原理】1平面光栅的分光原理光学多通道分
3、析器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： （3.4-1）式中d是光栅常数，是入射光波长，k是衍射级次，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dsin=k可知，级次间距对应，当角度较小的时，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。当角度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。2谱线
4、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dsin=k可知，得取值为10.432.
5、7之间。我们在测量未知波长时是通过已知的两个或多个（本实验仪器最多允许选择5个已知波长做四次定标）波长定标。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，该参数既然是参考波长，一般就有误差，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
6、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300nm900nm，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。对波长修正的效果是：如果修正波长为Xnm，则我们所观察到的谱线将向右移动Xnm，参考波长的标称值不变。如果修正波长为Xnm，则我们所观察到的谱线将向左移动Xnm，参考波长的标称值不变。我们一般采用氖灯的谱线作为标准普线，氖灯的常见谱线如表3.
7、4-1所示。表3.4-1 氖灯的主要谱线波长波长（nm）297.471298.266305.739333.487341.79352.047359.353359.364369.420442.252453.775457.506464.542470.439.（3）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
8、据。（4）定标谱线形状的锐化由于光谱是通过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）。【实验仪器】WGD-6型光学多通道分析器、Hg灯、氖灯。S1：入射狭缝 M1：反射镜 M2：反射式准光镜 M3：物镜 M4：物镜 G：平面衍射光栅 P：观察窗口（或出射狭缝）图3.4-1 WGD-6型光学多通道分析器原理图WGD-6型光学多通道分析器的原理如图3.4-1所示，由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放大器、
9、A/D采集单元和计算机组成。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范围内的光谱。如图3.4-1所示，光源发出的光束经狭缝S1照射到反射镜M1上，因狭缝S1位于凹面反射镜M2的焦平面上，由M1反射的光束经M2反射后将成为一束平行光。当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；衍射后的平行光束经凹面反射镜M3反射后将在观察窗口S3处形成光谱，由于各波长光的衍射角不同，在观察窗口S3处形成以某一波长为中心的一条光谱带，可在S3处直观地观察到光谱特征；转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。转开平面M4可使M3直接成像于光电探
10、测器CCD接收位置S2上，它测量的谱段与观察窗口S3处观察到的完全一致。光谱出现在S2处，还是出现在S3处取决于转换开关的状态：当转换开关位于“CCD档”时，反射镜M4收起，衍射光束由M2直接反射到CCD接收位置S2处，由CCD传感器采集光谱信息；当转换开关位于“观察档”时，反射镜M4放下，衍射光束经M2、M4依次反射后照射到观察窗口S3处，可用肉眼直接进行观察。当用CCD传感器采集光谱信息时，为防止外界杂光的干扰，应用盖子将观察窗S3遮住。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。利用CCD可以同时采集一定波长范围
11、内光谱中各个波长点的数据，若同时将其输出的电脉冲信号经数-模（AD）变换后串行输入计算机，可由计算机对光谱信息进行采集、分析和处理，并在计算机的显示屏上近乎实时地显示出光谱的光强分布图，移动光谱图上的光标，屏上即显示出光标所在处的道数和相对光强值，进而实现光谱的快速分析。应用这类系统对较弱信号进行光谱分析时，也只需几分钟的曝光时间即可完成。该系统还可实现光谱的快速动态测试，并获得光谱强度分布随时间变化的三维光谱图。CCD光谱分析系统的这些优点正好弥补了传统光谱分析方法照相法、光电法的不足，由这类光谱分析仪取代传统的摄谱仪、分光光度计也是新技术发展的必然。【实验内容与步骤】1谱线定标（1）检索中
12、心波长到400nm打开主机，进入数据处理子菜单检索，输入中心波长400nm，然后按确定。检索到相应位置后，计算机一般会提示“检索完毕”，同时计算机转动的“嘎吱”声停止。（2）对已知光谱进行实时采集检索完毕后，打开氖灯，对准狭缝s1，进入运行子菜单实时采集，采集已知光谱。（3）对谱线进行定标定标有自动定标和手动定标两种方法。自动定标很简单，直接点击副工具条上的自动定标按钮，或进入数据处理选择手动定标。手动定标的步骤是：进入数据处理选择手动定标选定第一个定标的谱线，按回车键，输入谱线波长，按添加下一点按钮选定第二个定标的谱线，按回车键，输入谱线波长，按添加下一点按钮点击添加定标按钮，计算机弹出定标
13、对话框选择适合的定标（线性、一次、二次、三次或四次定标）定标完成后，计算机横坐标换成波长显示。2测量未知谱线测量未知谱线的步骤：首先是有已定标的数据，可以将横坐标转化为波长；然后采集到未知谱线的数据；读取未知谱线的波长。测量过程中，要考虑调节狭缝的宽度来观察比较微弱的谱线和比较强的谱线。（1）获取波长坐标，一方面可以通过定标来获取；另一方面也可以通过打开保存的已经定标的文件，转化为波长显示来实现。（2）在狭缝比较宽的情况下获取的未知谱线。（3）读取谱线数据。 【数据记录与处理】1测量Ne灯的定标曲线波长（nm）通道以Ne灯光谱的波长为横坐标，通道为纵坐标，作Ne灯光谱的定标曲线。要求：利用自动定标和手动定标两种方法定标，分别绘出定标曲线。2利用Ne灯光谱的定标曲线测量Hg灯的波长。要求：在自动定标和手动定标基础上，分别测出Hg灯的波长和强度。【预习思考题】1在实验中怎样保证多色仪和光源光路的同轴等高？2利用CCD测量光谱时，多色仪狭缝宽度要不大于0.1mm的理由。3分析狭缝宽度、实验测量精度和观察屏上谱线明亮度之间的
