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1、光学多通道分析器的应用曲子阳Qu Ziyang【摘要】光学多通道是一个能够同时对多个检测通道完成光电转换，实现光谱并行检测 的探测器。光学多通道利用现代的光电技术一一ccd来实现对光谱的接收、测量和处理。本 实验通过光学多通道分析器测量了未知光谱（蓝光，黄光等）的波长范闱。【关键词】光学多通道，ccd,光谱，波长【正文】一、实验目的1、了解光学多通道分析器的结构原理；2、学习光学仪器的校正方法；3、掌握用光学多通道分析器测量未知光谱的方法。二实验仪器WGD6型光学多通道分析器、汞灯、紫外线灯、发光二极管（蓝、黄）。WGD6型光学多通道分析器，由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放人器、
2、A/D采集单元及计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体，是当代光学测量仪器的典型代表。该仪器的光学系统采用CT型，如图1所示Ml:反射镜、M2:准光镜、M3:物镜、M4:转镜、G:平面衍射光栅、S1:入射狭缝、S2: CCD接收位置、S3:观察窗（或出射狭缝位叠）入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范W 0-2mm连续可调，光源发出的光束进入入 射狭缝si、si位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投 向平面光栅G上，衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2上。M2、M3焦距 302. 5mm光栅G每亳米刻线600条闪耀波长550nm二块滤光片工作
3、区间白片350600nm,红片600900nm三、实验内容1、调节狭缝S1宽度，使其约在0.2mm左右（以后应根据光强情况及分辨率要求随时调节）。2、根据所测波长安装滤光片。3、把汞灯对准狭缝并开灯预热。4、把光栅单色仪的“转换开关”拨到“CCD”挡，先开外用设备，最后打开计算机。5、按照使用说明书“操作方法”的要求，用计算机对仪器进行各种控制，全面掌握仪器的各种性能。6、用汞灯的标准波长矫正光学多道分析器。7、手动定标。8、自拟方案，测量各种灯的波长。汞灯的标准波长（nm）690. 716623. 437612 327607. 264579. 065576. 959546. 074491 6
4、01435. 835434 750433. 924407 781404 656365. 151lL tL t图2汞灯标准谱线分布四、实验过程定标步骤：低压汞灯发出的光经多色仪分光后，其光谱带成像在CCD的感光像元上，CCD就将这 个光信号转换成电压值，这些电压值经过放人模数转换和计算机采集，处理得到低压汞灯的 光谱图。其中横坐标是通道数，纵坐标是光强。通过对已知谱线定标，将横坐标由CCD的通道转化为波长。选取两个峰值则进行线性定标，三个峰值则进行二次定标，四个峰值则进 行三次定标。对照标准汞的光谱图进行定标。1、蓝光： 7亠XHQ a(lO -Gwi tm w m m：“、rvRKKxxKE
5、sAKsxaxKKE琮小二5羽00 576.00 579.00走 friS.S线性定标 a二次走标三次定标 Q四次定标IE二戦二耳关讯 I计算结率走悅处式：y = a*x4 + b*z3 + c*x2 + d*x + ea = o. 00000 b = 0. 00000 c = 0. 00008d = -0.13099 e = E9I.TE3I5r = l.DOOOO(1) 线性定标:计21垢果定标公式：y =十 b*z3 + c*x2 + d*x 十 ea = 0.00000x = l.OOOQOb = 0. oooaoc = 0.OOQQOd = 0.07670e = 299. 079)3
6、中心酒桧方式习口 | 340.0加|袂长方式UGl紇姻距 |l0.00ar.二J绘犬佰4 : 1772魏值:40-0.0g因区因区因因因门 因冈因冈凶因因区叼 3.OJ他.00O.CO凭0.003K.SqCO.3so。 qqaco图一选取其中的两个点，进行线性定标。将通道数转换为波长值。将蓝光照射狭缝。得到蓝光光谱图如下：其中蓝光的中心波长是459.0211111，波长范I韦I是：440nm490nm图二（2）二次定标:在图一中仍可以进行二次定标，选取三个点，得到二次定标蓝光的中心波长是461.99mm 波长范|韦是440nm490mm 光谱图如卜:中讪良才式平均畑1140如MB|所有序施熬二
7、_存相备冈邑好5Q0 a逊 WS沁设nsevjjj | 艮）W间S S 1文件E）fsftd）送行即 B霓处運） .n）殆助Q）D Q唧浙没打开代存z Ccd Systea -无标31凶区区区区因区区W R-j*R-.3応”R-3Z j1 Wffi-3无=1厂| | 500 00a.I）饿畑式|钳駆手动前进|隊动同距IsO.COin jJ杂大5点:461 冷g2?iS ： 3401 0工件77慨甜WO OD4 CO5ZD OD田出|釦釦；川射心|&|%|兀|口|创”|图三（3）四次定标，选取图一中的全部四个点进行定标:Wft 濱雎 絵垂3J1JJ61GXfCTiB手动馳计算经見 定杠公丸y =
8、卅乂4 4局31小二臥確龙杯.0城性定蒔 二次定怖 広三i戈定杯+ c*x2 + d*x +X -1.00000匚:軀二I净2険1二J 口因凶因因区因凶因。 統回因凶因因区因凶因。 加 Ma-La-sHZa-sHWB-eu：rII酸长方式UGj|0 - 0.00000 6=0.00000o - -0.00016d = O.2307To = 4 06.30572420.CO MO 8 CO M 4k 00500.8 S2D ( SCO 00 5fiO.Cfl SCO 8|*|M|R-|Q|4l|K|a|*|i)|W|图四四次定标的蓝光的中心波长是487.2911111,波长范闱是4451U11-
9、5lOmiio光谱图如卜:* Cod SytoB -无怦工Pci分析发现：线性定标的蓝光最人波长是459.02nino二次定标的蓝光最人波长是461.99imio四次定 标的蓝光最人波长是487.29mno线性定标和二次定标结果相近且误差不人。四次定标的结 果偏离理论值。由dsin 0 =k入可知。当角度较小时，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0线性分布。当角度E较小时，sin 9 e,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。但是由于CCD 器件本身尺寸的限制，采用3次及以上拟合的结果已失去意义，采用二次定标已
10、经足够了。2. 、黄光定标如下：得到黄光中心波长是589.4911111,黄光波长范圉是：570nm600nm。 os? a3JL801 干均沛3r r r520 TO 540 CO 敦（C S80.CD 6O 00 血 8610 WO.CO田l#l艮反I、I%|rI创剜心俠I 口|制创屈匚割“举：|Xffl132, 0 磁0邑 W W5 洽及O 囚 如三组号I酸桧仏)I瞰ft I 促武1 5W 492 6CGWSwsPTEkox opx 0宙巳区因凶区区区因区。 妊巳区因凶区区区因区。 眈 佔0-la-2B-30-4a-5叶B-70-6a-em 存5EII 1手动觥手动碇鸟动洞距|lO Ss
11、 二)工作荷抚磬图六六、实验结果：蓝光：中心波长为：459.02mn,范I韦I是：440iun490iuiio黄光：中心波长为：589.49nm,范韦I是：570nm600nm。七、实验总结：1、关于定标采用的次数：光栅方程为：d(sin O 土 sin 0) = jA j = O,l,2,3并非是一个线性方程，所以线性定标不一定是最适合的，所以实验中尝试了线性，二次，四 次定标。由dsine =k入可知。当角度较小时，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e线性分布。当角度e较小时可以简化为线性，即町采用线性定标, 更进一步可以从级数展开的角度采用2次，3次或4次
12、定标。但是由于CCD器件本身尺寸的限制，采用3次和3次以上的拟合的结果已失去意义， 采用二次定标已经足够了。2、实验过程中实验室一直开着灯。但影响几乎可以忽略不计。因为只有从狭缝正对着 的光才有影响。3、汞灯光谱如果十分混乱和粗宽，应调节狭缝人小或者移动光源来减少光照，使图像尖 锐，从而方便定标。4、光谱如果呈锯齿状，说明光源不正。5、实验中还发现一个问题就是对于同一个发光二极管，每次测量的峰值波长并不相同, 有时差别很明显。分析原因： 发光二极管的峰值波长与温度有关，随着测量的进行，通电的发光二极管温度会有 明显的变化，对峰值波长产生影响 每次测屋光强一般不相同，而且有周I制其他的光对仪器测
13、得的光强产生影响，从而影响到峰值的选取，也可能对峰值波长的确定产生一定影响 器的系统测屋误差也会对测量值产生影响，但影响很小，可以忽略。通过实验了解发光二极管的发射光谱，掌握光学多通道分析仪的原理和使用方法，掌握 用光学多道分析器测屋未知光谱的方法。，同时也学会了如何利用光谱分析判断未知元素的 方法。总结出了从实验现象中得出的一些结论，为进一步提高对光学物理理解提供了很人的 帮助。【参考文献】：1、中国海洋大学物理实脸教学中心大学物理综合设计实验中国海洋大学物理实脸教学中心.20112、畅文明導.近代物理实验.上海交通大学物理实验中心，20013、陈泽民竽.近代物理与高新技术物理基础北京：淸华大学出版社.2001
