光栅光谱仪狭缝宽度对谱线图样影响的研究讲述

【摘要】通过对光栅光谱仪入射狭缝宽度的调节，观察屏幕上谱线，分析波长的分布，研究入射狭缝宽度对谱线图样的影响。分析了入射狭缝与谱线图样之间的关系，表明谱线图样中峰的数量和光的种类数跟入射狭缝宽度成正比关系，这对波长的精确测定有着很大的影响。 【关键词】入射狭缝；谱线图样；光栅光谱仪；分辨率

Grating Spectrometer Study on Influence of Slit Width for Line Drawings Abstract: By adjusting the width of the entrance slit of grating spectrometer, observe the

Spedtrum line on the screen, analyse the distribution of the wavelength and study how the width of the entrance slit influence the Spectrum line drawing.By analyzing the relationship between the entrance slit and the Spectrum line drawing ,finding that the quantity of the Middle Peak of the Spectrum line drawing is in proportion to the width of the entrance slit .This has much to do with the accurate measurement of the wavelength..

Key words: entrance slit, Spectrum line drawing, grating spectrometer, distinguishability

引言

光栅光谱仪是一种将复杂的光分解为光谱线的科学仪器。可以用来分辨颜色、测量溶液的浓度、测量光波波长、膜厚测量等。这在科研、生产、质检等领域有着很大的作用。仪器的分辨率对实验数据的测量有着很大的影响，光栅光谱仪的内在参数和仪器的精密程度在很大程度上都无法改变，为了以后同学们能够更好地使用光栅光谱仪进行其他各种实验，我进行了“入射狭缝对光谱图像的影响”的实验。该实验是通过改变入射狭缝的宽度来观察光谱图样的变化，以实现入射狭缝对光栅光谱仪分辨率的影响。而仪器说明入射狭缝在0.200mm适合光波波长的测量，我在此基础上以0.050mm为间隔对入射狭缝进行宽度调节，研究谱线图样变化的。

1入射狭缝的宽度对光谱图样的影响理论分析[1]

入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽度为0～2mm连续可调。光源发出的光束进入入射狭缝S1，S1位于反射式准光镜M2的焦面上，通过S1射入的光束经M2反射成平行光束投射到平面光栅G上，光栅的刻线每mm为1200条，形成的衍射平行光束经物镜M3成像在S2上。而G可以由电动机驱动而转动，这就形成了对光谱的扫描。最后光电倍增管记录光的相应波长，使我们能够从光谱中读出相应的波长。如图1所示当光进入S1时，狭缝越细，进入的光就越细，当到狭缝到一定宽度时，入射光也可以被近似认为一条光线进入狭缝，这条光线经反射后被S2接收并通过光电倍增管记录到光谱中。但光强也会随着狭缝宽度的减小而减小，让光电倍增管很难检测到光的能量，光谱图样也会不明显。当入射狭缝S1增大的时候，光从S1进入，光线从不同角度进入，同时进去的光线增加，光强也增加了。

图1 WGD-8A组合式光栅光谱仪光学原理图

1.1入射狭缝宽度对谱线图样的影响[2]

如图2所示，无论是什么光都能够从狭缝通过到S2，但由于狭缝的的大小会影响入射 光的数量和能量，同时部分拥有高能量的杂光也有很大的机会进入光栅光谱仪，影响谱线图样中高峰光的数量，使杂光的存在影响被测光的波长测定。如图2所示，不管是什么光，都会在最后聚集在S3中，而且狭缝宽度的增加使进入狭缝的光产生干涉现象，被测光所在位置的波长段的波之间的波长差会增加。

图2 光栅光谱仪内部放大的光线的走向

1.2入射狭缝宽度对光种类的影响[3]

当狭缝宽度增大的时候，进入的光束宽度也会增加，同时光的数量和能量也会增加。同时光谱中高能量光线的数量也会随之增加，杂光能量也会同时会增加。它们也会显示在光谱图样上，影响光线波长的正常测定。如图3所示，光线的进入量会增加，最后的显示会出现杂光的谱线数量可能多于被测光线。而被测光线会因为干涉等因素的影响被相对削弱了。当入射狭缝到一定的宽度到达值时，光强就会趋于稳定，峰值数量也会趋于稳定。

图3 入射狭缝宽度增大的光谱图样

2实验设计方案

2.1实验仪器

WGD-8A组合式光栅光谱仪，入射狭缝宽度在0~2mm连续可调，调节应在合适的宽度上开始，宽度变化太大极容易导致误差变大，数据没有代表性。本实验选的狭缝宽度在0.200~0.400mm，通过以0.050mm增加，在计算机上取得相应的谱线图，并根据谱线图样分析其变化。 2.2实验方案

调节狭缝S1宽度，使其约在0.200mm左右，把钠灯对准狭缝并开灯预热。光栅光谱仪主机上的接收装置选择开关拨向“光电倍增管”，先打开外围设备，最后打开计算机；按照仪器说明操作，用计算机对仪器进行各种控制操作，全面掌握仪器的各种性能；改变入射下风的宽度，继续进行上述操作，观察光谱图，分析光谱图样。

3实验结果与分析

本实验使用的是WGD—8A组合式光栅光谱仪、钠灯等实验用具。研究的是入射狭 缝宽度的改变对光谱图样的影响，其主要参数是光谱图样中光线峰值的数量和光的种类。这些参数在一定程度上反映着入射狭缝宽度增加对光谱图样的影响。如图4所示，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为入射狭缝宽度为0.200mm、0.250mm、0.300mm、0.350mm、0.400mm时的光谱图样。由图看出随着入射狭缝宽度的增加，光谱图样中谱线条数增加，同时光的种类也增加。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

图4 实验所得光谱图样

87632100.0000.0500.1000.1500.2000.2500.3000.3500.400y = 28x - 2.7

图5谱线图样中峰的数量

6321000.050.10.150.20.250.30.350.40.45

图6光谱图样光的种类

如图5所示，随着入射狭缝的增大，光谱图样中峰的数量会随之上升，这说明在一 定条件下，入射狭缝的增大，光的进入量也会增加，这与理论分析基本符合。

在图6中，谱线图样中的光的种类跟入射狭缝宽度成正比关系，这正好验证了入射狭缝 的增大，进入光线也会增加，影响着光谱图样，随之而来的就是影响波长的正确测量。 以上两图所显示出来的结果表示入射狭缝的增大对光谱图样有着很大的影响，光线种类 光谱中峰的数量都会增加。如果是纯的钠光进入狭缝，在光谱图样中显示的峰会显示在577~597nm这波段上。这段波上，可以通过这些峰读出相应的波长，一次来测定光的波长。

4实验研究结论

对光栅光谱仪入射狭缝与谱线图样之间的关系的研究，研究表明入射狭缝宽度跟光的种 类和峰的数量之间成线性关系。适当减小狭缝宽度有利于谱线图样的清晰表示，这也能够有 利于波长的相对测定。同时波长的测定要尽量减少杂光的影响，或者在入射狭缝端放上一片 滤光片来滤光，这对光波波长的准确测定有着很大的帮助。所以在避免光谱图样上显示不出 峰的情况下，应该尽量减小狭缝。

参考文献

[1]主编 竺江峰，副主编 鲁晓东 夏雪琴，大学物理实验教程[M]北京：中国水利水电出版社，2011年9月.

[2] 杨晓东，李正灯，李惠玲，周杰，钟远聪.光栅光谱仪入射与出射狭缝对测量谱线线宽影响研究.嘉应学院学报.2008.12—514015.

[3] 郭光灿、庄蔚萱编《光学》高等教育出版社..

作者简介：杨佳威（1992—），男，浙江诸暨人，学生，就学于浙江海洋学院，研究方向为电气工程及其自动化。

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