单色仪的定标和光谱测量.ppt

单色仪的定标和光谱测量单色仪的定标和光谱测量Monochromator ExperimentsMonochromator Experiments三级物理实验三级物理实验内容简介内容简介l单色仪的用途单色仪的用途l光谱学发展史简介光谱学发展史简介l单色仪的结构和原理单色仪的结构和原理l闪耀光栅的工作原理闪耀光栅的工作原理l单色仪的入射和出射狭缝单色仪的入射和出射狭缝l钠灯、钠灯、He-Ne激光器、灯、汞灯的光谱测量激光器、灯、汞灯的光谱测量l滤光片的吸收特性光谱测量滤光片的吸收特性光谱测量l红宝石吸收和发射光谱测量，红宝石吸收和发射光谱测量，l罗丹明罗丹明6G 溶液的发光和吸收光谱测量溶液的发光和吸收光谱测量l附录附录单色仪的用途单色仪的用途l从复色光源中提取单色光从复色光源中提取单色光l测量复色光源的光谱测量复色光源的光谱：研究目的研究目的物质的辐射特性，光与物质的相互作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远星体的温度、质量、运动速度和方向。应用范围应用范围采矿、冶金、石油、燃化、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理（卫星观测）等等。应用：荧光、吸收、透射、反射、光致发光、应用：荧光、吸收、透射、反射、光致发光、激光光谱、等离子发射、真空紫外光谱激光光谱、等离子发射、真空紫外光谱光谱学发展史简介光谱学发展史简介1、形成阶段：1666年牛顿在研究三棱镜时 发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。2、研究室和应用阶段：1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅与棱镜相比光栅与棱镜相比l棱镜的工作光谱区受到材料的限制（光的波长小于120nm，大于50m时不能用)l光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率与波长有关。l棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。l光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。l光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没有。优点缺点Fastie-Ebert型配置单色仪型配置单色仪PMTM2GM1S1S1：入射狭缝：入射狭缝 S2S2：出射狭缝出射狭缝 M1M1：离轴抛物镜：离轴抛物镜 G G：闪耀光栅闪耀光栅 M2M2：反光镜：反光镜 PMTPMT：光电倍增管：光电倍增管 S1S2三部分三部分光源和照明系统、分光系统和接收系统光源和照明系统、分光系统和接收系统Czerny-Turner型配置单色仪型配置单色仪光学带宽计算公式光学带宽计算公式单色仪的照明系统单色仪的照明系统光源：火焰（燃烧气体：乙炔、甲烷、氢气）电火花、电弧（电火花发生器）、激光、高低压气体灯（钠灯、汞灯等）、星体、太阳 单色仪的接收系统单色仪的接收系统光电倍增管光电倍增管光电阴极材料：多碱金属或双碱金属光电阴极材料：多碱金属或双碱金属窗口材料：硼硅酸盐玻璃窗口材料：硼硅酸盐玻璃光电倍增管特征光电倍增管特征（谱响应、典型增益、暗电流）（谱响应、典型增益、暗电流）光谱响应光谱响应增益增益暗电流暗电流光电倍增管工作原理l利用光电子发射效应和二次电子发射效应制成的光电器件。光电倍增管是电流放大元件，具有很高的电流增益，因而最适合于微弱信号的检测。l优点是灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪音低。l缺点是结构复杂、工作电压高、体积大。l使用光电倍增管应当了解它的特性，如它的频率特性、时间特性、暗电流和噪声特性，还有稳定性及对环境的要求等。光电倍增管使用注意事项光电倍增管使用注意事项负高压可达900伏（光电倍增管加的电压为负高压）先开电源，打开测量软件后，设定测量参数，根据测量要求再调节负高压（关时一定要先关软件，再关电源）。一般在半小时后阳极电流达到稳定（暗电流）。输入光信号不可过强，光阴极面不可直接暴露在光照下（特别是在加了电压的情况下，否则将烧毁光电倍增管）。为了尽可能降低噪声在不使用光电倍增管的时候要挡住入射光。CCD特征特征CCD特点与优势特点与优势l全金属永久真空密封设计l深度热电空气制冷，或液氮制冷 l新CoolCUBE液体循环器：震动或热流扰动环境下最好的解决方案 l高速，USB2.0接口，即插即用接口，无需PCI卡，16-bit动态域，2MHz读出速度，无需PCI卡 l单层光输入窗口玻璃，最小的光损耗 l特制CCD芯片及UV镀膜，具有高灵敏度及分辨率 l双放大器结构和独立的增益设定。无可比拟的多功能性 l触发及快门控制，先进的操作尽在您的掌握 CCD参数参数Model Imaging Array Sensor Type Pixel Size Peak QE512B_eXcelon 512x512 B/I 24 x 24 m 95%1024F 1024x1024 F/I 13 x 13 m 45%1024B_eXcelon 1024x1024 B/I 13 x 13 m 95%1024BR_eXcelon 1024x1024 B/I DD 13 x 13 m 98%Key:F/I=Front Illuminated-B/I=Back Illuminated=DD-Deep Depletion量子效率CCD图像与真空窗透过率图像与真空窗透过率单色仪的分光系统单色仪的分光系统光栅光栅矩矩形形光光栅栅凹凹面面平平场场光光栅栅 入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：入射光垂直矩形光栅时衍射光强的分布公式：单缝衍射因子单缝衍射因子 干涉因子干涉因子a为光栅透光部分的宽度，为光栅透光部分的宽度，N为光栅的总周期数为光栅的总周期数d为光栅的周期，为光栅的周期，为衍射角为衍射角单色光的光栅光强分布的曲线单色光的光栅光强分布的曲线透光缝宽透光缝宽:a=0.01mm光栅周期光栅周期:d=0.02mm光栅的总条数光栅的总条数:N=4透光缝宽透光缝宽:a=0.01mm光栅周期光栅周期:d=0.03mm光栅的总条数光栅的总条数:N=100光栅方程式光栅方程式d d为光栅周期，为光栅周期，为入射角，为入射角，为衍射角，为衍射角，m m为衍射级次，为衍射级次，为光的波长。为光的波长。描述各个干涉因子主极大的位置描述各个干涉因子主极大的位置光栅的色散原理分辨本领光栅的色散原理分辨本领谱线的半角宽度谱线的半角宽度光栅的角色散本领光栅的角色散本领光栅的光谱分辨本领光栅的光谱分辨本领理论分辨本领计算实例：理论分辨本领计算实例：m=1,N=64mm 1200/mm=76800闪耀光栅的原理闪耀光栅的原理-nN bn为刻槽面法线方向为刻槽面法线方向N为光栅面法线方向为光栅面法线方向 为光线的入射角为光线的入射角 为光线的衍射角为光线的衍射角 b 光栅的闪耀角光栅的闪耀角-b 角度的符号规定（顺角度的符号规定（顺时针为正）时针为正）入射角与闪耀波长的关系入射角与闪耀波长的关系几何光学的方向能量最大：几何光学的方向能量最大：m=1一级闪耀波长为5o，10 o,30o 587，600.5，606.3(nm)d=1/1200mm光栅曲线光栅曲线衍射效率与入射角的关系衍射效率与入射角的关系光强曲线光强曲线单色仪狭缝宽度的讨论单色仪狭缝宽度的讨论1、设照明狭缝的光是完全非相干的（即每一点为独立的点光源）。2、设狭缝为无限细，由衍射理论可知谱线的半宽度为：3、当狭缝a逐渐变宽时的变化如下图所示：f=500 mma/anw0狭缝的最佳宽度狭缝的最佳宽度D为光栅和抛物镜的口径（限制的光束的直径）为光栅和抛物镜的口径（限制的光束的直径）狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系狭缝宽度与分辨率、谱线强度的关系由上图可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到由上图可见缝宽过大时实际分辨率下降，缝宽过小时出射狭缝上得到光强太小，取光强太小，取a=an最好。最好。a/anRI1实验内容实验内容l光栅单色仪的定标l高压汞灯光谱测量l红宝石晶体的发射和吸收光谱测量l滤光片的吸收曲线测量l罗丹明6G溶液的发射和吸收曲线测量l蓝色LED灯测量（400-550 nm）光栅单色仪的定标光栅单色仪的定标钠灯光灯光谱589.0 nm589.6 nm钠原子的光谱钠原子的光谱l光谱公式（里德堡常数R）l主线系 589.0 nm/589.6 nml锐线系 616.0 nm/615.4 nml漫线系 568.3 nm/568.86 nm 497.78 nm/498.2 nm高压汞灯光谱测量高压汞灯光谱测量颜色颜色波长波长/nm/nm强度强度紫色紫色404.66404.66强强407.78407.78中中410.81410.81弱弱433.92433.92弱弱434.75434.75中中435.84435.84强强蓝绿色蓝绿色491.60491.60强强496.03496.03中中绿色绿色535.41535.41弱弱536.51536.51弱弱546.07546.07强强567.59567.59弱弱黄色黄色576.96576.96强强579.07579.07强强585.92585.92弱弱589.02589.02弱弱橙色橙色607.26607.26弱弱612.33612.33弱弱红色红色623.44623.44中中深红色深红色671.62671.62中中690.72690.72中中708.19708.19弱弱汞汞灯灯的的主主要要发发射射谱谱线线单色仪实际分辨率的测量单色仪实际分辨率的测量波峰波峰 波的半高宽度波的半高宽度分辨率分辨率红宝石晶体的发射和吸收谱线红宝石晶体的发射和吸收谱线694.3 nm692.8 nm滤光片的吸收曲线滤光片的吸收曲线罗丹明罗丹明6G溶液的发射和吸收光谱溶液的发射和吸收光谱测量测量LED灯的光谱测量灯的光谱测量实验的难点和重点实验的难点和重点光源位置和光路设计与调整；光源位置和光路设计与调整；狭缝的宽度确定和调整狭缝的宽度确定和调整负高压值的选取负高压值的选取光谱仪小贴士光谱仪小贴士 减小狭缝，分辨率提高，光通量下降；减小狭缝，分辨率提高，光通量下降；增加焦长，分辨率提高，光通量下降增加焦长，分辨率提高，光通量下降 采用高刻线密度光栅，分辨率提高，扫描范围缩短采用高刻线密度光栅，分辨率提高，扫描范围缩短【注意事项注意事项】l l入射狭缝与出射狭缝可微调入射狭缝与出射狭缝可微调l l汞灯在测量汞灯在测量1010分钟前打开预热稳定，测量结束分钟前打开预热稳定，测量结束后立刻关闭后立刻关闭l l尽量避免强光直接入射到单色仪中以免损伤光尽量避免强光直接入射到单色仪中以免损伤光电倍增管，负高压不得超过电倍增管，负高压不得超过900V900Vl l不能手碰光学元件的表面不能手碰光学元件的表面思考题思考题1、单色仪的作用是什么？2、说明钨灯、钠灯和汞灯的光谱的区别和道理？3、如何求出入射狭缝的最佳宽度？4、单色仪的理论分辨本领如何计算？实际分辨本领如何测量和计算？5、比较单色仪的理论分辨本领和实际分辨本领，说明两者差别大的原因？6、解释光电倍增管的工作原理，为什么随着副高压的绝对值越大，采集的灵敏度会显著提高？附录附录无机材料的光谱无机材料的光谱量子点的发射光谱量子点的发射光谱无机材料的上转换发光光谱无机材料的上转换发光光谱有机材料的光谱有机材料的光谱荧光蛋白质的光谱荧光蛋白质的光谱