wds系列光栅光谱仪实验讲义

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1、WDS系列光栅光谱仪实验讲义V1.07光栅光谱仪实验讲义一实验目的1、了解光栅光谱仪的工作原理2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术二实验仪器WDS系列多功能光栅光谱仪,计算机三实验原理图1光栅光谱仪示意图光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面（可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构成一块反射试衍射光栅。相邻刻线的

2、间距d称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相邻刻线产生的光程差，为入射角，为衍射角，则可导出光栅方程：(1.1)光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来，为入射光波长，m为衍射级次，取等整数。式中的“”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射，光栅方程变为。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出，(1.2)复色入射光进入狭缝S1后，经M2变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出

3、射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）时的输出光信号强度，即记录了光谱。这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图2所示）7，(1.3)图2光栅转动系统示意图2ψ转台衍射光入射光光栅其中，为光栅的旋转角度，为入射角和衍射角之和的一半，对给定的单色仪来说为一常数。光谱

4、仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。四实验装置WDS系列多功能光栅光谱仪的操作由计算机操作和手工操作来完成。单色仪的入射狭缝宽度、出射狭缝宽度和负高压（光电倍增管接收系统）不受计算机控制用手工设置外，其它的各项参数设置和测量均由计算机来完成。WDS系列多功能光栅光谱仪结构框图如右图所示。1光学系统光谱仪光学系统，如图1所示：M1准光镜、M2物镜、M3转镜、G平面衍射光栅、S1入射狭缝、通过旋转M3选择出射狭缝S2或S3从而选择接收器件类型

5、，出射狭缝为S2则为光电倍增管或硫化铅、钽酸锂、TGS等接收器件；出射狭缝为S3则为CCD接受器件。入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝，宽度范围0~2mm连续可调，光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M1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M2成像在S2上，或经物镜M2和M3平面成像在S3上。光源系统为仪器提供工作光源，可选氘灯、钨灯、钠灯、汞灯等各种光源。2电子系统电子系统由电源系统、接收系统、信号放大系统、A/D转换系统和光源系统等部分组成。电源系统为仪器提供所需的工作电压；接受系统将光信号转换成电信号；信号放大器系统包括前

6、置放大器和放大器两个部分；A/D转换系统将模拟信号转换成数字信号，以便计算机进行处理。3软件系统WDS系列多功能光栅光谱仪的控制和光谱数据处理操作均由计算机来完成。软件系统主要功能有：仪器系统复位、光谱扫描、各种动作控制、测量参数设置、光谱采集、光谱数据文件管理、光谱数据的计算等。WDS系列多功能光栅光谱仪器系统操作软件根据型号不同和接收仪器的不同配有PMT操作系统和CCD操作系统。每一系统均可采用快捷键和下拉菜单来进行仪器操作，下面分别进行说明。3.1PMT操作系统3.1.1开机与系统复位确认光栅光谱仪已经正确连接并打开电源。在WONDOWS操作系统中，从“开始”——“程序”——“WDS

7、系列光栅光谱仪”中执行相应的PMT可执行程序，或双击桌面上的快捷方式，启动系统操作程序。在系统初始化过程后应有波长复位正确的提示，然后按“确定”进入系统操作主界面。73.1.2菜单栏的使用系统菜单栏包括文件、测量方式、数据处理、系统操作和帮助五项内容。3.1.2.1文件文件菜单中包括新建、打开、存盘、参数设置、打印和退出系统等项。其中，新建，即清除当前图谱文件并重新建立一个图谱文件。打开，即打开已存图谱文件，可根据系统提