光学多道分析实验

1. 光学多道分析实验 电科091——马玉霞

2. 内容介绍 • 摘要 • 实验目的 • 实验原理 • 实验内容及步骤 • 注意事项 • 实验总结

3. 摘 要 • 光学多通道分析器（Optical Multichannel Analyzer）简称OMA，是一种采用多通道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。

5. 实验目的 （1）掌握定量测定汞灯光谱、钠原子光谱的方法。 （2）熟悉多功能光栅光谱仪的光学系统、电子系统和软件系统。 （3）了解扫描式光栅光谱仪与光学多道光栅光谱仪之间的差别。

6. 本实验采用的是WGD-6光学躲到分析器 组成：光栅单色仪、CCD接收单元、扫描 系统电子放大镜、A/D采集单元和 计算机组成。

7. 实验原理 一、光学系统 • 在一块透明的光学玻璃平板上刻有大量的相互平行、等宽等间距的刻痕，构成光栅。光栅可分为透射光栅、平面反射光栅等。本实验采用平面反射光栅。光栅方程为： 式中d是光栅常数，λ是入射光波长，k是衍射级次，θ为衍射角。

8. S1 M2 M1 G S2 M4 M3 S2 S3 图2-1 光学原理图 M1: 反射镜、M2: 准光镜、M3: 物镜、M4: 转镜、G: 平面衍射光栅、 S1: 入射狭缝、S2: CCD接收位置、S3: 观察窗（或出射狭缝） • 光栅光谱仪的光学系统是单色仪，如下图： S1 M2 M1 G M4 M3 S2 S3

9. 复色入射光进入狭缝S1后，经M1镜变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2镜将照射到它上面的某一波长的光聚集在出射狭缝S2上，再由S2后面的光电探测器记录该波长的光强度。复色入射光进入狭缝S1后，经M1镜变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2镜将照射到它上面的某一波长的光聚集在出射狭缝S2上，再由S2后面的光电探测器记录该波长的光强度。

10. 光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，当光探测器记录不同光栅旋转角度时的输出光信号强度，即记录了光谱。光栅G安装在一个转台上，当光栅旋转时，就将不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，当光探测器记录不同光栅旋转角度时的输出光信号强度，即记录了光谱。 • 这种光谱仪通过输出狭缝选择特定的波长进行记录，称为光栅单色仪。

11. 二、CCD传感器 • CCD传感器是WGD-6型光学多通道分析器数据采集部分的核心，也是整个系统的关键所在，它的作用是将衍射光谱转换成电信号。 • CCD全称电荷耦合器件(Charge—Coupled Device)是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件。

12. CCD 结构图 CCD的工作过程是： 当CCD受到光照后，各个CCD单元内贮存的电荷量与它的曝光量成正比；若给它施加特定时序的脉冲，其内部单元存贮的信号电荷便能在CCD内作定向传输、实现自扫描，进而将由光照感生的电荷依次传送出去。

13. 三、A/D转换器 • WGD-6型光学多通道分析器数据采集部分的另一个作用是将线阵CCD输出的模拟电压信号转换成数字电压信号，并存储在外部RAM中。这样数据就成为计算机能够读取的有效数据了。

14. 实验内容及步骤 （1）准备工作 • 开机之前检查连线是否接好。将转换开关置于工作位置，用CCD接受，将扳手放在“CCD”档；要观察谱线，可将旋钮置于“观察档”；将入射狭缝、出射狭缝宽度都调至0.1mm左右；将USB接口连接计算机和仪器。

15. （2）测量（以汞灯为例） • （1）摆放好Hg灯，使光源聚集在单色仪的缝上，适当调节狭缝的宽度，但是必须使缝宽在0.2～2mm的范围内，不可超过2mm以免损坏仪器。 • （2）打开CCD的电源，再打开计算机及计算机上相应的光学多道分析软件。

16. 3）设置中心波长为500nm（中心波长的调整过程当中，应当缓慢调节，每次调节都应当在上一次调节生效之后），按下“实时采集”按键，采集Hg的特征谱线。根据Hg光谱的尖锐程度，适当调整光源和透镜的位置，以及狭缝的大小。3）设置中心波长为500nm（中心波长的调整过程当中，应当缓慢调节，每次调节都应当在上一次调节生效之后），按下“实时采集”按键，采集Hg的特征谱线。根据Hg光谱的尖锐程度，适当调整光源和透镜的位置，以及狭缝的大小。

17. （4）得到较尖锐的光谱后，点击工具栏下的“停止”，实时采集完毕。将转换开关打到观察窗，打开CCD的遮光盖，观察衍射光谱。可以看到一道强绿光和两道黄光对照。Hg有435.84nm、546.07nm、576.96nm和579.0nm四条特征谱线，由于在计算机上所能反映的光谱带宽为150nm-200nm之间，中心波长为550nm。读取三条尖锐光谱的位置数组，做差，根据其差值比，及观察窗查看到的光线颜色，可以确定三条光谱为546.07nm,576.96nm,579.07nm这三条特征谱线。（4）得到较尖锐的光谱后，点击工具栏下的“停止”，实时采集完毕。将转换开关打到观察窗，打开CCD的遮光盖，观察衍射光谱。可以看到一道强绿光和两道黄光对照。Hg有435.84nm、546.07nm、576.96nm和579.0nm四条特征谱线，由于在计算机上所能反映的光谱带宽为150nm-200nm之间，中心波长为550nm。读取三条尖锐光谱的位置数组，做差，根据其差值比，及观察窗查看到的光线颜色，可以确定三条光谱为546.07nm,576.96nm,579.07nm这三条特征谱线。

18. （5）确定了特征谱线之后，利用这几条特征谱线进行定标，将横坐标的道数转化为波长显示。在实验过程中采用手动定标，在“数据处理”中选择“手动定标”，选定546.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，按“下一点”之后选定579.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，点击“定标”后选择线性定标后，计算机就根据Hg的特征谱线来完成定标，将横坐标的道数显示转换成波长显示。（5）确定了特征谱线之后，利用这几条特征谱线进行定标，将横坐标的道数转化为波长显示。在实验过程中采用手动定标，在“数据处理”中选择“手动定标”，选定546.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，按“下一点”之后选定579.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，点击“定标”后选择线性定标后，计算机就根据Hg的特征谱线来完成定标，将横坐标的道数显示转换成波长显示。

19. （6）测量纳光以及其他几种的波长，将Hg灯光源换为其他光源，采集同一波长范围内的待测光的光谱，在完成实时采集之后，对光谱图进行寻峰。（6）测量纳光以及其他几种的波长，将Hg灯光源换为其他光源，采集同一波长范围内的待测光的光谱，在完成实时采集之后，对光谱图进行寻峰。

20. 数据处理 • 实验数据如下图所示 选取恰当的中心波长后，通过读取三条尖锐光谱的位置数组，做差， 根据其差值比，及观察窗查看到的光线颜色，确定三条光谱为 546.07nm,576.96nm,579.07nm这三条特征谱线。

21. 定标，选取波长为546.07nm和579.07nm的两个峰，得到定标公式定标，选取波长为546.07nm和579.07nm的两个峰，得到定标公式

22. 得到钠双线波长588.93nm、589.55nm与实际测量值 589.0nm、589.60nm极为接近。

23. 注意事项 • 狭缝可调范围为0~2mm，每旋转一周狭缝宽度变化0.5mm，平时不能置于0或2mm，应当调至0.1mm~0.5mm。 • 钠灯不能离入射光孔太近。

24. 实验总结 • 在实验过程中碰到了许多问题，究其原因主要就是因为对实验仪器的了解不够以及对实验细节的掌控不到位。最大的问题出现在最后一步对钠光灯波谱的寻峰过程当中，在前几次实验当中，虽然双线的波长也可以得到，但每次都不止两个波峰，会有其他一些无用的波峰，在假使我们不知道钠双线波长的情况下，也就是实验假定情况下，我们是不能从中分辨出哪两个峰是我们需要的。

25. 后来发现，问题就出在背景记忆这里，因为我们每次用观察窗观看光谱时，为了看清楚一些，都会关掉一些灯，这样就使背景变暗，去除背景后就会对光谱产生一定的削弱，定标的时候就会出现些问题，特别是背景记忆出现较大变动的地方可能会出现波峰，然后在对钠灯光谱的测定时产生影响。在实验的开始，在第一张数据图中可以看到有三个波峰，调节一下中心波长可以使汞灯光的四个波峰一齐出现。后来发现，问题就出在背景记忆这里，因为我们每次用观察窗观看光谱时，为了看清楚一些，都会关掉一些灯，这样就使背景变暗，去除背景后就会对光谱产生一定的削弱，定标的时候就会出现些问题，特别是背景记忆出现较大变动的地方可能会出现波峰，然后在对钠灯光谱的测定时产生影响。在实验的开始，在第一张数据图中可以看到有三个波峰，调节一下中心波长可以使汞灯光的四个波峰一齐出现。

26. 谢谢！