使用光学多道测量光谱(实验报告)

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1、（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、电荷耦合器件（CCD）、光学多通道分析器（OMA）。【引言】传统的光谱测量技术由

2、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

3、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。【正文】CCD工作原理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

4、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

5、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（或出射

6、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、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

7、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。其具有的优点有：（1）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

8、。（2）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。（3）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。（4）改善了信噪比。（5）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