光栅光谱仪

光栅光谱仪

光栅光谱仪实验讲义

一 实验目的

1、了解光栅光谱仪的工作原理

2、掌握利用光栅光谱仪进行测量的技术

二 实验仪器

WDS系列多功能光栅光谱仪,计算机

三 实验原理

光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器。光栅光谱仪是光谱测量中最常用的仪器，基本结构如图1所示。它由入射狭缝S1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及输出狭缝S2构成。

衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散

器件。它是在一块平整的玻璃或金属材

料表面（可以是平面或凹面）刻画出一

系列平行、等距的刻线，然后在整个表

面镀上高反射的金属膜或介质膜，就构

成一块反射试验射光栅。相邻刻线的间

距d称为光栅常数，通常刻线密度为每

毫米数百至数十万条，刻线方向与光谱

仪狭缝平行。入射光经光栅衍射后，相

邻刻线产生的光程差

Δs=d(sinα±sinβ)，βα为入射角，为衍射角，则可导出光栅方程：

图1光栅光谱仪示意图 d(sinα±sinβ)=mλ (1.1)

光栅方程将某波长的衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来，λ为入射光波长，m为衍射级次，取0,±1,±2,L等整数。式中的“±”号选取规则为：入射角和衍射角在光栅法线的同侧时取正号，在法线两侧时取负号。如果入射光为正入射α=0，光栅方程变为dsinβ=mλ。衍射角度随波长的变化关系，称为光栅的角色散特性，当入射角给定时，可以由光栅方程导出

dβm=dλdcosβ， (1.2)

复色入射光进入狭缝S1后，经M2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将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝S2上，再由S2后面的电光探测器记录该波长的光强度。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，光电探测器记录不同光栅旋转角度（不同的角度代表不同的波长）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。

在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅角度之间的关系（如图2所示）

λ=2dcosψsinη， (1.3) m