ccd光栅光谱仪与光谱分析1402

《ccd光栅光谱仪与光谱分析1402》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、CCD光栅光谱仪与光谱分析1.实验目的（1）了解光栅光谱仪的工作原理；（2）了解线阵CCD在光谱测量中的应用；（3）学习一种光谱分析的方法。2.实验原理光谱分析是研究原子和分子结构的重要手段，现有关于原子结构的知识，大部分来自对各种原子的光谱研究。通过光谱研究，可以得到所研究物质中所含元素的组分和原子内部的能级结构及相互作用等方面的信息。在光谱分析中，用于分光的光谱仪器和检测光的光探测器对分析结构有决定性作用。（1）光栅光谱仪的工作原理光栅光谱仪结构见图1。入射光经狭缝S1通过M1成平行光后入射到光栅G，衍射光经成像物镜M2会聚于出口狭缝

2、S2、S3和光探测器单元上，光栅光谱仪的色散元件为光栅。光栅方程为d(sinisin)=m（1）d为光栅常数，i为入射角，为衍射角。在讨论光栅分辨率问题时，为简单起见，常设入射光为垂直光栅入射，即入射角i=0，此时单缝宽度为a的衍射光程差为asin，2a图1光栅光谱仪相位差1sin，间距为d的相邻二缝2d的衍射光程差为dsin，相位差为2sin；令1asin2（2）2dsin2由N条光栅刻线得到衍射光强为22sinsinNII0（3）

3、sinI0为入射光强，由此式可分析光谱仪的主要性能。①光栅的角色散D和线色散Dl实验中关心的问题是对于一定波长差的两条谱线，经光栅后分开的角间隔和在光δδl谱仪谱面上的距离l，定义D，Dl。设光谱仪的聚焦透镜焦距为f，则l=f，δδ因此Dl=fD。从光谱方程可得光栅的角色散、线色散mDdcos（4）mfDldcos结果表明，光栅的色散本领与光栅常数d成反比，与级次m成正比，Dl还与焦距f成正比。但色散本领与光栅中刻线总线数N无关。②分辨本领通常分光仪器的分辨本领定义为Rδ

4、为可分辨的最小波长差，对于每个光栅，其可分辨的最小波长差可由其角色散和最小分辨角来决定。从光栅衍射的光强公式（3），可得谱线极大与极小之间的半角宽度为（5）Ndcos即可认为是最小可分辨角。因此δdcosδDNdcosmmNRmN（6）δ此式表明，光栅的分辨本领正比于参与衍射的总刻线数N和光谱的级次m，与光栅常数d无关。实际的光路安排中，总是要尽量增加光栅的照亮面积，使N足够大，得到极高的分辨本领。（2）线阵CCD（ChargeCoupledDevices）光探测器的性能光谱仪的光探

5、测器可以有光电管、光电倍增管、硅光电管、热释电器件和CCD等多种。CCD是电荷耦合器件的简称，是一种金属-氧化物-半导体结构的新型器件，在电路中常作为信号处理元件。对光敏感的CCD常用作图象传感和光学测量，应用十分广泛。探测光栅光谱的线阵CCD因为能在曝光时间内探测一定波长范围内的所有谱线，因此在新型的光谱仪中得到广泛的应用。通常把同时获取光谱仪上各个波长的光谱探测器称为多道探测器。由多道探测器、计算机及传统的光谱仪构成的新型光谱仪器称为光学多道分析仪（OpticalMulti-channelAnalyzer，简记为OMA）。CCD器件的

6、主要性能指标为：①分辨率：用作测量的器件最重要的参数是空间分辨率。CCD的分辨率主要与像元的尺寸有关，也与传输过程中的电荷损失有关。目前CCD的像元尺寸一般为10m左右。②灵敏度与动态范围：理想的CCD要求有高灵敏度和宽动态范围。灵敏度主要与器件光照的响应度（V/Lx·sec）和各种噪声如光子噪声、暗电流和电路噪声等有关。动态范围指对于光照度有较大变化时，器件仍能保持线性响应的范围。它的上限由最大存储电荷容量决定，下限由噪声所限制。如TCD1206UD的动态范围约为1500。③光谱响应：指CCD光谱响应的范围，目前硅材料的CCD光谱响应

7、范围约400-1100nm。（3）光谱分析光谱分析中，对分析结果有决定意义的几个量是：I①光谱分辨率，定义式为，它是分辨本领R的倒数。其中为光波波长，为光波频率。为光谱仪器能够分辨的两个单色光的最小波长差。根据瑞利判据，若两个波长的谱线在输出端叠加后，凹下的高度小于叠加峰值的90%，这两个12波长就认为是可分辨的，如图2所示。图2光谱分辨率②光谱的检测灵敏度。光谱分析取决于具有一定强度的光谱线是否能被检测到，主要由光探测器的性能和光谱仪器输出光强所决定。若光谱仪器入射光强为1，输出光强2DI~AΩT

8、ATf其中A为入射狭缝面积，T为光谱仪中光学元件对光的透过率（或反射率），为谱仪内光束的最大立体张角，D为光束直径，f为聚光镜焦距。③元素的灵敏线。不同的元素有各自的特征谱