《CCD微机棱镜摄谱仪实验.docVIP

前 言 光谱学研究的是各物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用。光谱是电磁波辐射按照波长的有序排列，通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、电子组态、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识，在化学分析中也提供了重要的定性与定量的分析方法。发射光谱可以分为三种不同类别的光谱：线状光谱、带状光谱、连续光谱。线状光谱主要产生于原子，带状光谱主要产生于分子，连续光谱则主要产生于白炽的固体或气体放电。 随着科技的进步，当今先进的光谱实验室已不再使用照相干版法获得光谱图形，所使用的都是以CCD器件为核心构成的各种光学测量仪器。PSP05型CCD微机棱镜摄谱仪测量系统采用线阵CCD器件接收光谱图形和光强分布，利用计算机的强大数据处理能力对采集到的数据进行分析处理，通过直观的方式得到我们需要的结果。与其他产品相比，PSP05型摄谱仪具有分辨率高（微米级），实时采集、实时处理和实时观测，观察方式多样，物理现象显著，物理内涵丰富，软件功能强大等明显的优点，是传统棱镜摄谱仪的升级换代产品。 第1章 预备知识 仪器分辨本领：是指在用摄谱仪摄取波长为附近的光谱时，刚刚能分辨出两谱线的波长差。用表示，，式中为能够分辨的两谱线波长差。显然值越小，摄谱仪分辨光谱的能力越高。 棱镜的分辨本领：，式中的是棱镜的底边长，是棱镜材料的折射率随波长的变化率；可见要提高棱镜摄谱仪的光谱分辨本领，必须选用高色散率的材料制作色散棱镜，且底边要宽。棱镜的值大约可以达到数量级。 第2章 实验目的和原理 【实验目的】 了解小型摄谱仪的结构、原理和使用方法。 学习摄谱仪的定标方法及物理量的比较测量方法（线形插值法）。 【实验原理】 1．决定。，和分别表示原子处于对应的激发态和基态的能量，即：，得：，式中，i = 1，2，3，…，h为普朗克常数，c为光速。 每一种元素的原子，经激发后再向低能级跃迁时，可发出包含不同频率（波长）的光，这些光经色散元件即可得到一对应的光谱。此光谱反映了该物质元素的原子结构特征，故称为该元素的特征光谱。通过识别特征光谱，就可对物质的组成和结构进行分析。 2．棱镜把平行混合光束分解成不同波长的单色光根据是折射光的色散原理。各向同性的透明物质的折射率与光的波长有关，其经验公式是：式中A、B、C是与物质性质有关的常数。由式可知，短波长光的折射率要大些，例如一束平行入射光由、、三色光组成，并且，通过棱镜后分解成三束不同方向的光，具有不同的偏向角d，如图1所示。 小型摄谱仪常用阿贝(Abbe)复合棱镜它是由两个30°角折射棱镜和一个45°角全反射棱镜组成，如图2所示。n与光的波长λ有关。当一束白光或其它非单色光入射棱镜时，由于折射率不同，不同波长（颜色）的光具有不同的偏向角d，从而出射线方向不同。通常棱镜的折射率n是随波长λ的减小而增加的（正常色散），所以可见光中紫光偏折最大，红光偏折最小。一般的棱镜摄谱仪都是利用这种分光作用制成的。 摄谱仪的光学系统如图3所示，自光源S发出的光，通过调节狭缝大小获得一宽度、光强适中的光束，此光束经准直透镜后成平行光射到棱镜上，再经棱镜色散，由成像系统成像于接收系统上。 3．用线形内插法求待测波长 这是一种近似测量波长的方法。一般情况下，棱镜是非线性色散元件，但是在一个较小的波长范围内，可以认为色散是均匀的，即认为CCD上接收的谱线的位置和波长有线性关系。如波长为的待测谱线位于已知波长和谱线之间，如图4所示，它们的相对位置可以在CCD采集软件上读出，如用d和x分别表示谱线和的间距及和的间距，那么待测线波长为：。 第3章 系统组成 下面分别介绍摄谱仪的几个主要元部件。 （1）可调狭缝 可调狭缝是光谱仪中最精密、最重要的机械部分，它用来限制入射光束，构成光谱的实际光源，直接决定谱线的质量。 狭缝是由一对能对称分合的刀口片组成，其分合动作由手轮控制。手轮是保持狭缝精密的重要部分，因此转动手轮时一定要用力均匀、轻柔，狭缝盖内装有能左右拉动的哈特曼栏板。 （2）准直系统 光源S发出的光，经可调狭缝后，经过透镜L1、L2后成一束平行光入射到恒偏转棱镜上。实验过程中需微调可调狭缝的位置，当狭缝的位置处于L1、L2组合透镜的焦距上时，从透镜L2出射的光线为平行光。 （3）色散系统 色散系统是一个恒偏转棱镜，它使光线在色散的同时又偏转64. 1°。棱镜本身也可绕铅直轴转动。 （4）成像系统 成像系统是平行光线经棱镜色散后聚焦部分。通过调焦手轮作前后移动，调焦幅度约为40 mm。CCD光强分布测量仪 其核心是线阵CCD器件。CCD器件是一种可以电扫描的光电二极管列阵，有面阵（二维）和线阵（一维）之分。PSP05型CCD