使用光学多道测量光谱

摘要       通过本实验了解OMA的组成及工作原理，学习使用OMA分析光谱的方法，了解计算机在数据采集、分析处理中的应用。利用汞灯对光学多道分析仪进行定标，能够用仪器测出Na灯和氢氘灯谱线波长。

关键词   光学多道测量    定标    波长

正文       20世纪60年代激光科学技术特别是可调谐激光技术的发展，新型光谱探测元件及探测技术的发展，光电二极管自校准技术和微弱光谱信息的接收技术和处理技术以及微处理机的应用，使光谱测量技术的发展产生了一个革命性的变化，进入了一个新的发展时期。传统的摄谱仪、光电分光光度计等光谱仪逐渐被光学多道分析仪OMA（Optical Multi-channel Analyzer）所取代。

OMA是采用光子探测器（CCD）和计算机控制的新型光谱分析仪器，它集信息采集、处理、存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理、测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率；使用OMA分析光谱，测量准确迅速、方便，且灵敏度高、响应时间快、光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机、绘图仪输出。目前，它已被广泛使用于几乎所有的光谱测量、分析及研究工作中，特别适应于对微弱信号、瞬变信号的检测。

1．平面光栅的分光原理

光学多通道分析器原理为平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：

             （3.4-1）

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。由光栅方程可知，当光栅常数d一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、很锐的亮线。

由dsinθ=kλ可知，级次间距对应，当角度θ较小的时，角度间隔?θ最小，当角度θ增加时，角度间隔?θ增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时可以简化为线性，即可采用线性定标，更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3次、或4次定标。

2．谱线定标

定标：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下，采集已知谱线，然后对已知谱线定标，随即将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，可直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。

定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长或中心波长。在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。

定标也是有误差的。定标使用谱线位置的远近，以及采用的是几次定标，都会影响到数据的准确性。由于CCD的敏感波长为300nm-900nm，由公式dsinθ=kλ可知，得θ取值为10.4º~32.7º之间。

我们在测量未知波长时是通过已知的两个或多个（本实验仪器最多允许选择5个已知波长做四次定标）波长定标。定标涉及到以下的问题：

（1）参考波长是否可靠

参考波长就是光谱采集系统显示的中心波长或起始波长，该参数既然是参考波长，一般就有误差，不准确，差10nm左右都不会对测量结果带来影响。如果参考波长相差太远可以考虑修正波长。

（2）参考波长的修正

参考波长修正的依据是特征谱线或可见光谱线。定标一般比较关注特征谱线。人眼的可见光谱线范围大致在400nm-700nm之间，如果仪器使用起始波长作为参考，可以将起始波长设置为400nm；如果仪器使用中间波长作为参考，可以将中间波长设置为450nm。然后采集谱线，再通过CCD观察窗观察谱线的颜色，看是否是我们所需要的谱线。并注意一个屏幕的谱线差范围在150nm左右，如果两个谱线的距离明显大于波长之差，则说明观察到的应该是二级或更高级次的衍射（由于本仪器感光的限制300nm~900nm，我们最多能够观察到2级衍射），因此实际波长大于参考波长，修正波长为负；当观察不到可见光，则说明实际波长小于参考波长，修正波长为正。对波长修正的效果是：如果修正波长为－Xnm，则我们所观察到的谱线将向右移动Xnm，参考波长的标称值不变。如果修正波长为Xnm，则我们所观察到的谱线将向左移动Xnm，参考波长的标称值不变。

（3）定标谱线的采集

为了避免其他谱线的干扰，可以考虑采集背景光线，计算机会将实际采集的谱线与背景相减，获取真实的谱线。

另外可以通过开关电源，观察谱线的变化来观察光源的谱线。

谱线采集后，根据已知的谱线进行定标，定标后将谱线保存，供测量未知谱线使用。为了减少光栅转动带来的空回误差，可以考虑定标完成后，保持光栅的位置不变，采集未知的光谱，然后读取光谱数据。

（4）定标谱线形状的锐化

由于光谱是通过CCD采集的，CCD存在分辨能力和饱和问题。当谱线太弱，可以考虑增加入射光的缝宽，来提高入射光强度，这也可能导致较强光谱的溢出，即谱线顶部变平。因此我们可以通过调节入射光孔的大小，使我们要观察的谱线比较适中（主要是顶部比较尖锐）。

入射光被多色仪色散后在其出射窗口形成λ₁～λ₂的谱带。位于出射窗口处的多通道光电探测器将谱带的强度分布转变为电荷强弱的分布，由信号处理系统扫描、读出、经A/D变换后存贮并显示在计算机上。

图2是多色仪及光源部分的光路。光源S经透镜L成像于多色仪的入射狭缝S₁，入射光经平面反射镜M₁转向90°，经球面镜M₂反射后成为平行光射向光栅G。衍射光经球面镜M₃和M₄成像于观察屏P。由于各波长光的衍射角不同，在P处形成以某一波长λ₀为中心的一条光谱带，使用者可在P上直观地观察到光谱特征。转动光栅G可改变中心波长，整条谱带也随之移动。多色仪上有显示中心波长λ₀的波长计。转开平面镜M₄可使M₃直接成像于光电探测器CCD上，它测量的谱段与观察屏P上看到的完全一致。

实验仪器

本实验需要用到WGD—8A的光学多通道分析仪、汞灯、钠灯、氢氘灯等实验仪器。

操作方案：

1)        启动计算机，打开WGD—8A的光学多通道分析仪，再打开工具软件。

2)        将多色仪起始波长调到400nm，采集背景光线。

3)        用汞灯作光源，使光谱照到CCD上，调节入射狭缝，使谱线变锐，选择适当的曝光时间以获得清晰、尖锐的谱图。

4)        用水银的几条标准谱线定标。

5)        分别改用Na灯和氢氘灯，观察其所成的谱线，测量其波长。

数据处理：

上图为汞灯未定标时的图像，根据工作区中几条特征波长两两间的间隔道数差的比值和它们的波长差的比值是否一样来确定谱线。定标后，图如下：

改换成钠灯后，光谱变为

测量到钠灯的谱线波长为588.85nm、589.35nm。

钠灯特征谱线理论值：589.0nm、589.6nm

实验总结：

实验测得的钠灯的波长为588.85nm、589.35nm，与理论值589.0nm、589.6nm相近。在汞灯定标后，中心波长位置便不可改变，如果改变，则需要重新定标。定标后，在同一定标下，对其他光线进行光谱测量。

参考资料：

[1]林根金等．近代物理实验讲义[M]．浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室，2009

[2]冯振勇等. 近代物理实验教程[M].四川：西南交通大学出版社，2008

第二篇：预习实验报告Ⅲ-使用光学多道测量光谱

                        使用光学多道测量光谱

摘要:  利用光学多道分析系统，在已知光谱的情况下，分析可见光区的Hg的特征谱线，采用Hg的404nm和579nm进行线性定标，然后得到道数与波长的转换关系。然后利用所得到的道数与波长的转换关系，通过纳光的光谱来测量纳光的波长。在此基础上，通过实验了解光栅光谱仪的组成及工作原理，掌握光栅光谱仪分析光谱的方法。

关键词：光学多道   光谱   道数   特征谱线

引言： 光学多道光谱仪是采用电子技术和光学技术相结合的方法研制成功的, 较传统的光

谱仪在技术上有很大的改进且应用方便。一般的光谱仪都是用棱镜或光栅等其它光学元件组成, 在光谱的焦平面上开一道狭逢让某一波长的光通过并用能量计测量其能量, 每次只能测量单个波长的光, 应用很不方便且准确度不高。光学多道光谱仪较一般的单色仪优越得多, 每次能测量很多非连续或连续波段的光谱且能准确地读出各光谱的波长值和相对强度值; 测量的光谱带宽可以从真空紫外到远红外。

CCD 具有尺寸小、重量轻、功耗小、线性好、噪声低、动态范围大、光谱响应范围宽、寿命长、实时传输和自扫描等一系列优点,使得它的应用越来越广泛。由CCD、光栅光谱仪和微机数据采集系统组成的测量系统具有对光谱信息快速采样、存储、传输和数据处理等功能,从而使光谱的测量数字化,在光谱测量领域的应用将会越来越广泛。

一、实验目的

1  了解电耦合器件（CCD）的原理并掌握OMA系统的工作原理与使用注意事项。

2  用低压汞灯谱线作为一只波长进行波长测量定标，观测并记录钠灯光谱。

二、实验原理

光学多通道分析仪原理为平行光束入射到平面光栅G（光栅平面的方位可由精密机械调节）时，将发生衍射，衍射时有光栅方程：

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。由光栅方程可知，当光栅常数d一定时，不同波长的同一级主最大，除零级外均不重合，并且按波长的大小，自零级开始向左右两侧，由短波向长波散开。每一波长的主最大，在光栅的衍射图样中都是很细、很锐的亮线。

由dsinθ=kλ可知，级次间距对应，当角度θ较小的时，角度间隔?θ最小，当角度θ增加时，角度间隔?θ增加。所以光谱排列并非按角度θ线性分布。当角度θ较小时可以简化为线性，即可采用线性定标，更进一步可以从级数展开的角度采用2次、3次、或4次定标，在本实验中，我们采用线性定标。

定标：是指在相同的衍射级次（一般取第1级次）下，采集已知谱线，然后对已知谱线定标，随即将横坐标由CCD的通道转化为波长；在已定标的波长坐标下，采集未知的谱线，可直接通过读取谱线数据、读取坐标数据或寻峰的方式获取未知谱线的波长。

定标和采集未知谱线必须有相同的基础，那就是起始波长（或中心波长）。在本实验中的起始波长或中心波长是一个参考数据，是通过转动光栅到某一个位置来实现的，但由于是机械转动，重复性比较差，因此需要定标。定标也是有误差的。定标使用谱线位置的远近，以及采用的是几次定标，都会影响到数据的准确性。

WGD-6型光学多通道分析器由光栅单色仪、CCD接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元及计算机组成（结构见下图）。它集光学、精密机械、电子学、计算机技  术于一体，可用于分析300nm－900nm范围内的光谱。     

WGD-6型光学多通道分析器原理图

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。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等一系列优点。自1970年问世以来，发展迅速、应用广泛。CCD线列已用于光谱仪，将它置于光谱仪的光谱面，一次曝光就可获得整个光谱，并且易于与计算机连接。面阵CCD已用于电视摄像机和卫星遥感器。

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。

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。

计算机处理部分的功能是控制整个系统工作，将数据由外部RAM中读入、并保存在内部RAM并作分析、处理，最后计算出结果并根据要求显示和打印。因此对于计算机的使用是本次实验的关键，实验之前必须把软件的说明仔细阅读，同时对于计算机与光学多通道分析器的连接线路也应该仔细研究。最后考虑到数据量可能比较大，我们需要耐心等待实验结果并且尽量不干扰仪器获得的数字电压信号及原始数据。

三、实验步骤：

1 根据实验装置图连好实验仪器，使光源聚集在多色仪的缝上。调多色仪的缝隙为0.1～0.5mm。狭缝越小越好，但是不能调过零对仪器损害很大。

2 打开计算机、CCD电源，打开软件，将汞灯置于适当位置，点击软件的背景记忆进行背景过滤，打开汞灯，调节中心波长为400nm并进行实时数据采集。根据汞灯波谱的细锐程度，适当调整光源和透镜的位置及狭缝的大小使出现的谱线锐利至谱线峰值为单线。

3 得到较细锐的波谱后，用菜单栏上数据处理中的自动定标，对汞灯的波长定标。对应上术表格中的各种波的波长，分析自动定标所得到的几条谱线之间的波长差。根据它和已知的标准波长值表相对照，认出他们的标准波长。然后用手动定标的方式，重新对汞的谱线精确定标。

4 接下来将汞灯光源换为钠灯光源，采集同一波长范围内的待测钠光源的光谱，然后对其进行寻峰（采集钠光光谱所用的寄存器必须是汞光谱定标所在的寄存器）就可得出同一波长范围钠光的波长。