使用光学多道测量光谱实验报告

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1、近代物理实验报告使用光学多道测量光谱学院班级姓名学号时间2013年10月21日使用光学多道测量光谱【摘要】本实验通过了解OMA的组成及工作原理，学习使用OMA分析光谱的方法，了解计算机在数据采集、分析处理中的应用。利用汞灯对光学多道分析仪进行定标，能够用仪器测出Na灯和氢氘灯谱线波长。本实验由于可以直接从电脑上读出，非常方便。【引言】光谱学是光学的一个分支学科，主要研究各种物质光谱的产生及其同物质之间的相互作用。各种光由于产生条件的不同，它们的光谱都具有各自的特征。通过对光谱的研究人们可以得到：原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子

2、组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面的信息。 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。OMA是采用光子探测器（CCD）和计算机控制的新型光谱分析仪器，

3、它集信息采集、处理、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。【实验方案】一、实验原理1、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（光栅平面的方位可由精密

4、机械调节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：式中d是光栅常数，λ是入射光波长，k是衍射级次，θ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dsinθ=kλ可知，级次间距对应，当角度θ较小的时，角度间隔∆θ最小，当角度θ增加时，角度间隔∆θ增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时可以简化为线性，即可采用线性定标。2、CCD的工作原理CCD是一种用耦合方式传输电荷

5、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

6、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。3、光学多道分析仪（OMA）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（专用的微型电子计算机及其输出显示用的荧光屏）等三大部分组成。S1：入射狭缝M

7、1：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）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（一般为光栅）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，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、

8、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