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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划上海交大,用光学多通道分析疑研究发光二极管光谱实验报告使用光学多道测量光谱【摘要】传统光谱仪的色散元件为棱镜和光栅，测量结果的准确性不高。随着时间的发展，光谱仪的概念也在发展、变化。本实验我们采用光学多道仪来测量未知光的光谱，可以直接从电脑上读出，非常方便。利用已知Hg光的特征谱线的波长进行定标，然后利用所得的道数和波长的转换关系，测量钠光谱线的波长。通过本实验，我们能了解到另一种测量光谱波长的实验方法，并能掌握光栅光谱仪的使用以及其中的一些原理和方法。【关键词】光谱测量、定标、电荷
2、耦合器件、光学多通道分析器。【引言】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，已经不再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，使得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经逐渐被光学多道分析仪OMA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、处理、存储等功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省
3、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】CCD是一种用耦合方式传输电荷量并用电荷量来表示光强大小的器件。它具有自动扫描，光谱范围宽，动态范围大，体积小，功耗低，寿命长，可靠性高等优点。将CCD一维线阵放在光谱面上，一次曝光就可获得整个光谱。CCD的结构如图所示，衬底是P型Si，硅表面是
4、一层二氧化硅薄膜，膜上是一层金属作电极，这样硅和金属之间形成一个小电容。如果金属电极置于高电位，在金属界面积累了一层正电荷，P型半导体中带正电荷的空穴被排斥，只剩下不能移动的带负电荷的受主杂质离子，形成一耗尽层，受主杂质离子因不能自由移动对导电作用没有任何贡献。在耗尽层内或附近，由于光子的作用产生电子-空穴对，电子被吸引到半导体与SiO2绝缘体的界面形成电荷包，这些电子可以传导的。电荷中电子的数目与入射光强和曝光时间成正比，很多排列整齐的CCD像元组成一维或二维CCD阵列，曝光后光强分布图将形成为一帧电荷分布图。光学多道分析器光学多通道分析器简称OMA，是一种采用多通道方法快速检测和显示微弱光
5、谱信号的电子光学仪器。它能方便地给出各种待测光谱的光谱曲线和光谱数据，可用于快速光谱分析及各种光谱研究。光学多通道分析器是由光学多色仪、并行检测器及其控制器和数据处理台等三大部分组成。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OMA系统主要应用：瞬变过程的光谱研究、远距离的弱光系统的研究、实时监控系统等等。OMA系统中，光源S或被测光信号被聚焦在多色仪的入射狭缝上，经色散元件后，一定波段的光束经准直后同时到达安装于出射窗口的多通道检测器。如欲测定光源强度的空间分布I(x，y)，则舍去多色仪，而通过透镜或显微镜把光源成像于多通道检测器焦面上。光路
6、是密闭的，以排除杂散光的影响。多通道检测器上的集成光敏元件检测并储存了整个靶面上的电荷像。再经过检测器控制仪的扫描、读出、采集处理后，将信号储存于计算机的主贮存器中。数字化的视频信号经进一步运算或处理后，可存入磁盘，或通过专用接口传输到外部计算机。为观察光栅视频图像和避免扫描突然故障而烧毁靶面，需连接一台波形监视器。系统中的光学多色仪实际上是一台具有一定光谱分辨率的光谱仪器。通过它把含有某些光谱信息的待测光信号进行光谱分析，在出射狭缝得到光谱范围为?1?2的待测光谱信号图像。出射狭缝的宽度应该与检测器靶面相适应。OMA的光谱分辨率主要由多色仪确定。当然也与多道检测器的空间分辨率相关。其具有的优
7、点有：由于探测器所有的像元同时曝光，整个光谱可同时取得。因此，比用一般的单道光谱系统检测同一段光谱的积分时间总和快。使用具有选通功能的一维或二维的探测器，选通脉冲宽度从几个ns至ms量级不等，因此，可以在很大的时间范围内做动态过程的时间分辨谱。光学多道系统由于在摄取一段光谱的过程中。不需要谱仪进行机械扫描，因此，不存在这种机械系统带来的波长不完全重复的误差。改善了信噪比。系统主机有很大的存储量，并可加RMA扩展。实验步骤：1谱线定标检索中心波长到500nm打开主机，进行检索，输入中心波长500nm，然后按确定。计算机开始检索，发出声响，检索到相应位置后，自动停止。对Hg光谱进行实时采集检索完毕
8、后，打开汞灯，对准狭缝s1，使缝宽在2mm的范围内，不可超过2mm以免损坏仪器。开始实时采集，可适当调节汞灯的位置以及狭缝的宽度，得到比较尖锐的谱线，等谱线稳定后，停止采集。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，或进行手动定标。本实验中，我们采用手动定标。手动定标的步骤是：选定第一个定标的谱线，按回车键，输入谱线波长,重复以上操作，分别输入谱线的波长为,577nm,579nm对话框，选择适合的定标，本实验中，我们采用线性定标。定标完成后，计算机横坐标自动转换成波长显示。图一：汞灯定标图二：汞灯谱线2测量未知谱线波长把汞灯撤掉，放上钠灯
9、，调节狭缝宽度和钠灯位置，得到比较尖锐的谱线。停止检索后，进行寻峰，确定峰值位置，读出峰值数据，确定其谱线的波长。与资料中钠光谱线的波长进行对比，了解其误差的范围。图三：钠灯谱线及峰值实验结果：通过查找相关资料所得到的各谱线的理论值：汞灯的四条谱线波长为：、。钠灯的两条谱线的波长值为：和。实验所得到的波长值：钠灯的两条谱线的波长值为：和。钠灯的两条谱线的波长值误差分别为：%和%。通过对光学多道测量光谱实验的研究与演练，我们对比了普通物理实验中利用分光计测量光谱波长和原子物理实验中采用棱镜摄谱仪测量光谱波长这几种实验方法，并通过它们所测量产生的误差的比较，发现近代物理实验中的采用多道测量光谱的结
10、果比较精确。在以往的测量光谱的实验中，我们都是通过移动外部的镜筒来达到移动谱线的目的的，但是，在本实验中，我们通过调节中心波长，即调节了光栅的角度，来实现谱线的移动。这个改进是非常具有突破性的，优点也非常明显：如果通过移动CCD来转换视角，那么必须额外安装一个轨道以供其移动，仪器所占的空间也会大大增加；并且，通过狭缝以后的光必须在一个暗室中进行传播，因此，CCD的接触处的密封性要好，如果可以移动的话，密封性能就要受到很大的影响，加工也不方便。使用光学多道测量光谱实验报告摘要光学多道利用现代的光电技术CCD来实现对光谱的接收、测量和处理。本文简单的阐述了光学多道仪的简要历史背景，仪器的结构原理，
11、在此理论基础上通过实验对钠谱进行测量与误差分析。本实验最主要的是掌握了一种科学的定标思维与方法，日后将会得到广泛的应用。关键词光学多道仪；定标；钠光谱正文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。本实验通过测量发光二极管发射光谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法。光学多通道分析器是集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体的精密仪器，能够更为精确的进行光谱测量。它的结构和工作原理较为复杂，但由于使用了计算机技术而使得操
12、作过程非常方便。本实验通过对汞灯定标和测量发光二极管的光谱从而达到了解光学多通道分析器的工作原理，理解光谱测量与分析的重要性，并掌握操作方法的目的。一、历史背景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所取代。随着原子吸收技术的发展，推动了
13、原子吸收仪器的不断更新和发展，而其它科学技术进步，为原子吸收仪器的不断更新和发展提供了技术和物质基础。近年来，使用连续光源和中阶梯光栅，结合使用光导摄象管、二极管阵列多元素分析检测器，设计出了微机控制的原子吸收分光光度计，为解决多元素同时测定开辟了新的前景。微机控制的原子吸收光谱系统简化了仪器结构，提高了仪器的自动化程度，改善了测定准确度，使原子吸收光谱法的面貌发生了重大的变化。联用技术(色谱-原子吸收联用、流动注射-原子吸收联用)日益受到人们的重视。色谱-原子吸收联用，不仅在解决元素的化学形态分析方面，而且在测定有机化合物的复杂混合物方面，都有着重(转载于:写论文网:上海交大,用光学多通道分
14、析疑研究发光二极管光谱实验报告)要的用途，是一个很有前途的发展方向。二、平面光栅的分光原理光学多通道分析器原理为平行光束入射到平面光栅G时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：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dcos?,?/(dcos?)，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
15、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。三、实验仪器简介实验使用的是WGD-8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。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。CCD传感器是WGD-8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。dsin?k?,k?0,?1,?2?图1WGD-8型光学多通道分析器原理图CCD全称电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)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
