单色仪(北京科技大学物理实验报告)

北京科技大学实验报告单色仪实验目的：(1)了解单色仪的结构原理，学会使用平面光栅单色仪。(2)测量平面光栅单色仪的分辨本领。(3)利用单色仪测量干涉滤光片的光谱透射率曲线。实验仪器：平面光栅单色仪、汞灯、钨灯、聚光灯、测试仪、光电倍增管、干涉滤光片等。实验原理：1.平面光栅单色仪的结构原理光学系统主要由以下三部分组成：（1）入射准直部分由入射狭缝S1和抛物凹面镜M1组成，用以产生适用于光栅衍射的平行光束。（2）色散系统平面光栅G构成色散系统，达到分光以后产生各种波长单色光的要求。（3）出射聚焦系统由抛物凹面反射镜M1、平面反射镜M2和狭缝S2组成。由光栅色散系统产生的单色光经由M1和M2反射作用后会聚至出射狭缝S2，产生窄光束的单色光。2.单色仪主机电路仪器主机内主要是步进电动机信号发生器电路，用来控制步进电动机的转动。3.光电倍增管及测光仪广电倍增管是把微弱的输入光转换成电子，并使电子数获得倍增的电真空器件。当光信号强度发生变化时，阴极发射出的光电子数发生相应的变化，由于各倍增极因子基本保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化。4.滤光片滤光片对不同波长的投射能力不一样。当波长为λ，光强I0(λ)的单色光垂入射在滤光片上时，透过滤光片的光强若为IT(λ)，我们定义其光谱透射率为𝑻(𝝀)=𝑰𝑻(𝝀)𝑰𝟎(𝝀)若以白光为光源，出舍得单色光所产生的光电流i0(λ)与入射光光强I0(λ)、单色仪的光谱透射率T0(λ)和光电器件的光谱响应率S(λ)成正比，即：i0(λ)=KI0(λ)T0(λ)S(λ)现将光谱投射仪为T(λ)的滤光片插入光路，放置在入射狭缝之前，在光电流变为：iT(λ)=KI0(λ)T(λ)S(λ)所以：T(λ)=iT(λ)i0(λ)实验内容与测量：1．分辨能力的测量：分辨能力的测量只涉及汞灯的两条黄谱线，因此，应该从两谱线的外侧开始扫描，途径两谱线的峰值，终止与另一谱线的外侧外侧。2．测量滤光片的透射率：不加滤光片，开启扫描开关，从280nm开始正向自动扫描，至660nm止，观察光强的最大值在哪一波长附近，大小如何。如果光强值不符合要求，扫描至光强最大值的附近，进行适当的调节，是的最大光强接近100。1.分辨能力的计算测量数据如下：光强随波长的变化关系表波长/nm光强波长/nm光强波长/nm光强576.4-15781579.6303576.5-1578.10579.7329576.6-1578.20579.8324576.7-1578.30579.9166576.8-1578.4058018576.90578.50580.125770578.60580.21577.12578.70580.30577.25578.80580.40577.332578.90580.50577.42185791580.60577.5319579.12580.70577.6334579.23580.80577.7317579.36580.90577.8114579.4205810577.97579.5155581.10由上表所示的数据画成散点图如下所示：读图可知：a=579.72-577.60=2.12nmb=577.68-577.39=0.29nm由公式：△λ=baδλ式中，δλ=λ1−λ2取2.1nm。可得：△λ=0.292.12×2.1=0.287nm故该系统的分辨能力为：0.287nm2.计算滤光片的折射率。从测量中可以得出：分别在不放滤光片和放滤光片以后的测量数据如下所示：λ/nm未放滤光片𝐼0(λ)/uA放了滤光片𝐼𝑇(𝜆)/uAT(λ)λ/nm未放滤光片𝐼0(λ)/uA放了滤光片𝐼𝑇(𝜆)/uAT(λ)280600.000450131530.405300600.000455142500.352320700.000460155450.290340810.125470171270.1583501020.200480189110.0583601240.33350022120.0093701770.41252023710.00439028170.60754024910.00440038240.63256025710.00441051320.62758025510.00442067410.61260024710.00443083480.57862023410.00443595510.53764020710.005440108540.50066017810.006445121550.455-50050100150200250300350400576576.5577577.5578578.5579579.5580580.5581581.5光电流I波长/nm光电流随波长的变化关系表中T(λ)的计算公式为：T(𝜆)=𝐼𝑇(𝜆)𝐼0(λ)在实际测量过程中，没有光照射时的光电流为-3uA，上表中的数据时经过修正以后得到数据。可得到如下的透射率曲线：由图可知，中心波长:𝜆0≈407nm通带半宽度:∆λ≈460nm−360nm=100nm峰值透射率:𝑇0=0.63该滤光片更适合透过波长400nm左右的光。由于通带半宽度为100nm左右，所以该滤光片的单色性不好。实验总结：1.分光系统既有优点同时也有缺点。系统通过入射部分、色散系统、出射聚焦系统这三部分把不同频率的光分开，实现了对光的分解，此为它的优点。在它分解光的时候由于自身分辨本领的限制，因而对于光波长差别不大的两束光的分辨能力较差。2.对于汞灯我们可以从图像中得知，辐射出的两种频率光的强度差别不大，而在此两束光之间的频率部分不存在其它光的辐射。这就说明了汞灯中的汞蒸气的电子在跃迁的时候会辐射出上述的两种光子，但是不会产生在这两种光子频率之间的其它光子。3.滤光片对自然光的过滤左右不能得到单色光，因而不能作为分光仪器来使用。但是如果我们对于光的频率有一定的要求，又不太苛刻，我们仍然能选用通带半宽度适合的滤光片。4.在数据处理时要注意测量的初始误差，修正数据以后才能进行其它的处理，否则处理结果可能出错。-0.100.10.20.30.40.50.60.70100200300400500600700透射率T波长λ/nm透射率曲线