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光学测量中的问题和注意事项

基础物理实验第三阶段小结讲座. 光学测量中的问题和注意事项. 赵福利 F317 2:30pm ， Apr.3, 2006. 测量分类. 光学参数的测量 迈克尔逊实验 光学参量的应用测量 超声光栅应用 反射式全息片的拍摄 气体发射光谱探测 光学设计初步 吸收光谱探测 散射全息技术. 实验组件排列示意图. 实验中的问题. 光学系统的组成 光学单元： 光学表面的保护：专用的镜头纸以及洗耳球 实验操作注意事项：手以及非专用工具不能直接接触光学表面 机械部件 精密位移结构：行程不可过度使用 重复精度：需要单程定标

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光学测量中的问题和注意事项

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  1. 基础物理实验第三阶段小结讲座 光学测量中的问题和注意事项 赵福利 F317 2:30pm，Apr.3, 2006

  2. 测量分类 • 光学参数的测量 • 迈克尔逊实验 • 光学参量的应用测量 • 超声光栅应用 • 反射式全息片的拍摄 • 气体发射光谱探测 • 光学设计初步 • 吸收光谱探测 • 散射全息技术

  3. 实验组件排列示意图

  4. 实验中的问题 • 光学系统的组成 • 光学单元： • 光学表面的保护：专用的镜头纸以及洗耳球 • 实验操作注意事项：手以及非专用工具不能直接接触光学表面 • 机械部件 • 精密位移结构：行程不可过度使用 • 重复精度：需要单程定标 • 机械低频阻尼振动：平台需要减震以及必要的自行减震设计 • 电子单元 • 响应度： • 灵敏度： • 响应速率：

  5. 光栅光谱仪与OMA

  6. 内 容 • 一、引言： 介绍光谱仪的基本情况 • 二、OMA： 说明什么是OMA CCD的知识 • 三、WGD－6型光谱仪： 结构和特点 • 四、WGD－6在教学中的应用：Na 原子光谱 • 五、其它： 其它相关谱仪

  7. 一、引言 • 电磁波的强度作为波长或频率的函数即为所谓波谱。 • 在电磁波谱中，一般将波长从1×10-2～1×10＋3μm的谱段称为光学光谱。 • 光学光谱又可进一步分为： 真空紫外: 1×10-2～2×10-1μm 近紫外可见： 2×10-1～7×10-1μm 近红外： 7×10-1～1×100μm • 其它波段的电磁波谱有： • γ谱，X射线谱，电子顺磁共振谱，核磁共振 • 波谱特别是光谱是研究物质成份和结构的重要手段。

  8. 光谱仪的构成 • 光谱仪一般由5部分构成： 1.光源 2.照明准直 3.分光 4.成像 5.接收 • 原子发光和吸收 • 分子吸收 • 喇曼散射 • 荧光 • 激光 • 氙灯 钨灯 • 物质（棱镜） • 衍射（光栅） • 干涉（F－P） • 付氏 • 直读 • 照相 • 光电 • CCD • CMOS

  9. 光谱仪追求的目标 • 分开不同波长的光： 波长分辨本领 • 记录不同波长的光的强度：强度分辨本领 • 时间分辨本领 • 效率 • 价格

  10. 二、OMA (Optical Multichannel Analyzer) • OMA广义指能同时测量多种波长的光强的光谱系统，狭义指以CCD（CMOS）作光强读出系统的光谱仪。 • 主流读出系统的演变： • 直读（单通道，强度分辩本领极低，无时间分辨） • 摄谱（多通道，强度分辩本领较低，无时间分辨，低效） • 光电（单通道，强度分辩本领高，无时间分辨，低效） • CCD（多通道，强度分辩本领高，时间分辨，高效）

  11. CCD(Charge-Coupled Device) 结构： 金属-氧化物-半导体 工作原理： 反型层 非平衡 存储电荷包 光子产生电子-空穴对 以电荷数量表示光强 • 用系列脉冲将电荷送出

  12. (b) (a) t1 t2 t3 t1 t2 t3 t4 (c) (d) 图2 三相CCD传输原理图 • 电荷包的传出示意图

  13. CCD的主要性能指标 • 象元数： 2048 • 象元尺寸：～10μ • 总尺寸： ～2cm • 动态范围: ～212 • 光谱范围: 紫外至近红外 • 驰豫时间: 数十秒 • 象元均匀性：

  14. CCD优点 • 自扫描 光谱范围宽 体积小 功耗低 寿命长 • 使用中的问题： 基线＞0 坏象元---无光照有峰

  15. 三、WGD－6型OMA • 结构见右图 • 光栅作色散元件 • 步进电机驱动正弦机构 • CCD测量光强 • 微机控制、采集

  16. 色散部分 Czerny-Turner结构和正弦机构 2dcosφ•sinρ=nλ sinρ=x/L x∝λ 光谱范围 由闪耀波长λb定 2/3λb→2λb λb=500nm 333nm→1000nm 理论分辨本领 R=λ/Δλ=kN k=1 , L=50mm , 600/mm ,R=30000 . λ=500nm , Δλ=0.017nm

  17. CCD 象元尺寸： 14×14μm 中心距14μm 象元数：2048个象元 尺寸： 28.672mm 动态范围：4096 光谱范围：0.3~1 μm 与光栅的相当 仪器分辩率 成像透镜焦距： F=302mm 刻痕密度：600/mm 线色散为：5.55 nm/mm CCD分辨率为: 0.077nm 实际分辨率由象差、缝宽、象元尺寸…确定 整机波长分辨率不优于：0.077 nm＜ 光栅分辨率 0.017nm 为达到0.077 nm 缝宽应＜14μm 即 0.014mm 单幅波长范围为 : 158nm 不能覆盖整个光谱范围

  18. 优点： • 速度快N倍 • 可测一谱带 • 无机械扫描系统 • 对光源稳定性要求低 • 可测动态光谱（时间分辨） • 动态范围：4096

  19. 课前讨论 四、教学实例：Na 原子光谱 • 为何棱镜逐步被光栅取代？ • 光栅与棱镜的比较：

  20. 为什么要定标？ 光谱仪精度为： ±0.4nm 重复性为： ±0.2nm 均大于0.077nm 尽管原则上光栅光谱可以直接给出波长值，但其中要涉及光栅角位置、狭缝位置、光栅常数、成像透镜焦距、CCD位置等众多因素，会引入相当大的误差。定标能消除上述各种因素带来的误差使波长精度达 ±0.1 nm。 定标方法是固定光栅位置，用己知波长的光源来确定波长与道数之间的关系。 最佳定标策略：拟合公式与实验结果谁更可靠？ 如拟合公式可靠：尽可能多的实验点。 如实验结果可靠：尽可能靠近又恰能夹住待测谱线的两条标准谱线线性拟合。

  21. 主要问题 • 狭缝照明：均匀照明 • 二级衍射识别： 滤波 • 标准谱线的辨认：波长与谱线位置近似线性 • 弱谱线的测量：重复测量叠加 • 谱峰读出：定标与测量统一

  22. 其它应用 • 发射光谱： 测量各种光源的波长和光谱分布 • 吸收光谱： 固体—干涉滤光片、色玻璃、薄膜材料等 液体—吸收系数 • 散射光谱 液体荧光光谱分布

  23. 六、WGD-8型光谱仪 • 特点 F=500mm 光栅为1/2400 L=70mm 分辨率R提高了 5.6倍 R=168000 λ=300nm , Δλ=0.0017nm λ=500nm , Δλ=0.0029nm λ=600nm , Δλ=0.0036nm 线色散提高了 5/3×4=6.7倍 D=0.83nm/mm 如狭缝为0.01mm 则可分辨0.008nm的谱线

  24. 狭缝对分辨率的影响 • 由于衍射的作用狭缝不是越狭分辨率就越高 • 仪器的孔径光阑为D，由它引起的衍射角为λ/D，若焦距为F，则其宽度为λF/D • 定义简约宽度u u=aD/ λF a=u λF/D F/D=7, λ=0.5μm, a=3.5 ×u μm • u=1 a=3.5μm R=0.65R0=109000 Δλ=0.0045nm

  25. 用途 • 测H、D光谱 H 656.280 486.133 434.047 410.174 D 656.100 485.999 433.928 410.062 从上述数据可得到RH、RD和电子与质子之质量比 ⊿λ/λH≈me/2MP • 测Na光谱的双线定出量子缺Δs、Δp、Δd、Δf 616.072 589.593 568.892 515.365 498.287 615.421 588.996 568.262 514.910 497.861 2:1 锐 1:2 主 4:6 漫 2:1 锐 4:6 漫 475.189 466.860 330.294 285.302 474.802 466.468 330.234 285.283 2:1 锐 4:6 漫 1:2 主 1:2 主

  26. 实验测量中的注意事项 • 实验的全真记录！ • 数据表格的即兴设计和工作规范 • 实验中出现问题以及解决方法 • 数据的有效数字位数的取舍 • 数据的单位换算 • 实验环境和标定文件等

  27. 按图索骥 • 1,按图制作反身物体全息片的典型光路图（我晕，实验书那个是什么图，我不是学素描的！，点不典型，百度都找不到，这才是最典型的吧） http://www.phywe.de/download/lexlong/p2260300.pdf 介绍一个绘图软件 visio

  28. 实验报告的语言规范 • 使用撰写科技文章一样的方式书写实验报告，语言符合语法规则；切忌口语化。 • 讨论：我们算是成功了，据我的同伴说，我出去找老师的期间可以清楚看到有像，但是老师来拍照时在空气中慢慢褪去了，氧化所致……

  29. 实验中的工作素质培养 • 信心：充分预习是信心的保证 • 耐心：确保实验进展顺利 • 爱心：合作、和谐是工作的客观要求 • 责任心： 就是要有责任心！ 社会栋梁

  30. 下课。 快去草坪自由活动一下吧，下周又要去实验室了～～～

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