03-使用光学多道测量光谱浙师大new

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1、实验名称：使用光学多道测量光谱物理081班赖兴俊08180121【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。本实验我们使用光学多道分析仪来测量未知光的光谱波长。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。通过这个实验，了解光栅光谱仪的组成及工作原理，掌握光栅光谱仪分析光谱的方法。【关键词】OMA系统CCD中心波长寻峰1、引言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，已经不再适应科学技术的发展和应用的需要。20世纪6

2、0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。2、光学多道分析仪的工作原理光学多通道分析仪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机械调节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：式中d是

3、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，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，在本实验中，我们采用线性定标。定标是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下，采集已知

4、谱线，然后对已知谱线定标，横坐标中CCD通道数对应光波波长，两条谱线的波长差的比值即为横坐标中道数差的比值。本实验以汞灯的波长作为参考波长，根据上述原理，通过实验仪器的控制，找出汞灯对应的四条已知谱线的光强分布，进行定标[5]。定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长（或中心波长）。在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的。在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，可直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长（或中心波长）。在本实验中的

5、起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。定标也是有误差的。3、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。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

6、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

7、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。优点：（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。（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

8、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。（6