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11 系 09 级 学号 PB09210340 姓名 张宇鹏 日期 2011-04-09
栅也是一种闪耀光栅，只不过闪耀发生在没有色散的零级上。此外闪耀也是多级次的，即对应于一级的闪耀，必然对二级的，三级的闪耀。发生闪耀的波长称为闪耀波长，用表示。由此可知，闪耀波长和光栅常数和入射条件均有关。
吸收曲线测量原理：
当一束光入射到有一定厚度的介质平板上时，有一部分光被反射，另一部分光被介质吸收，剩下的光从介质板透射出来。设有一束波长为?，入射光强为I0的单色平行光垂直入射到一块厚度为d的介质平板上，如图1所示。如果从界面1射回的反射光的光强为IR，从界面1向介质内透射的光的光强I1，入射到界面2的光的光强为I2，从界面2出射的透射光的光强为IT，则定义介质板的光谱外透射率T和介质的光谱透射率Ii分别为
图7：闪耀光栅的光谱
T?IT （1-12） I0I2 （1-13） I1Ti?这里的IR，I1，I2和IT都应该是光在界面1和界面2上以及介质中多次反射和透射的总效果。
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图1 一束光入射到平板上
通常，介质对光的反射，折射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。这里为简单起见，对以上及以后的各个与波长有关的量都忽略波长标记，但都应将它们理解为光谱量。光谱透射率Ti与波长?的关系曲线称为透射曲线。在介质内部（假定介质内部无散射），光谱透射Ti与介质厚度d有如下关系：
??d Ti?e (1-14)
式中，? 称为介质的线性吸收系数，一般也称为吸收系数。吸收系数不仅与介质有关，而且与入射光的波长有关。吸收系数?与波长?的关系曲线称为吸收曲线。
设光在单一界面上的反射率为R，则透射光的光强为
IT?IT1?IT2?IT3?IT4??I0(1?R)2e??d?I0(1?R)2R2e?3?d?I0(1?R)2R4e?5?d?I0(1?R)2R6e?7?d??I0(1?R)2e??d(1?R2e?2?d?R4e?4?d?R6e?6?d?I0(1?R)2e??d?1?R2e?2?d (1-15)
式中，IT1, IT2,…分别表示光从界面2第一次透射，第二次透射，…的光的光强。
)
IT(1?R)2e??d所以 T? （1-16） ?I01?R2e?2?d通常，介质的光谱透射率Ti和吸收系数?是通过测量同一材料加工成的（对于同一波长?相同），表面
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性质相同（R相同）但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得到的。设两块试样的厚度分别为，
>
，光谱外透射率分别为
和
。由（1-16）式可得
和
T2e??d2(1?R2e?2?d1) （1-17） ?T1e??d1(1?R2e?2?d2)一般R和?都很小，故上式可近似为
T2?e??(d2?d1) (1-18) T1lnT1?lnT2 （1-19）
d2?d1T2 (1-20) T1所以 ??比较（1-18）式和（1-14）式可知厚度为时的光谱透射率为： Ti?在合适的条件下，单色仪测量输出的数值与照射到它上的光的强度成正比。所以读出测量的强度就可由下式计算光谱透射率和吸收系数：
Ti?I2 （1-21） I1I1I2 (1-22) ??d2?d1ln式中，I2和I1分别表示试样厚度分别为d1和d2时单色仪测量的强度值。 实验仪器：
光栅光谱仪(单色仪)是一个光谱分析研究的通用设备，其元件主要包括：光栅及反射镜，准光镜和物镜，入射出射狭缝旋钮，信号接收设备(光电倍增管/CCD)，计算机及软件系统，图7给出了典型光栅单色仪的结构图。光栅光谱仪(单色仪)可以研究诸如氢氘光谱，钠光谱等元素光谱（使用元素灯作为光源），也可以作为更为复杂的光谱仪器的后端分析设备，比如激光喇曼/荧光光谱仪。光栅由计算机软件控制步进电机驱动，可以获得较高的精度。
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图7 光栅单色仪的结构和原理
从图7可知，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现。如果S2出射狭缝位置连接信号接收设备（光电倍增管/CCD，），则可对出射光谱进行数据采集分析（部分内容请参考《大学物理实验》第二册中的“单色仪的使用和调整” ）。本实验使用的仪器：WDS-8型组合式多功能光栅光谱仪，焦距f=500 mm.光栅条数：1200 L/mm。狭缝宽度在0-2 mm连续可调，示值精度0.01 mm。光电倍增管的测量范围：200-800 nm；CCD的测量范围：300-900 nm。
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实验内容与步骤
(1):光栅单色仪的定标
单色仪的定标指的是借助于波长已知的线光谱光源来对单色仪测量的波长进行标定，校正在使用过程中产生的波长位置误差，来保证测量的波长位置的准确性。 定标用光源：氦氖激光器（632.8 nm）
低压钠灯（589.0 nm和589.6 nm）
要求设计和调整光路把光导入入射狭缝，测量时须找出合适的负高压值，并利用采集程序设定合理的测量范围获取双光谱线（钠灯）完全分离开的光谱曲线。并记录负高压值和保存光谱曲线。测量低压钠灯的光谱，钠原子光谱一般可观察到四个线系：主线系、第一辅线系（又称漫线系）、第二辅线系（又称锐线系）和柏格曼线系（又称基线系）。由同一谱线的波数差即可得到钠的里德伯常数。(该单色仪可测得谱线的精细结构，对精细结构处理后即可得到谱线波数)。 在仪器调整较好的情况下我们可测得主线系的589.0 nm和589.6 nm，锐线系的616.0 nm和615.4 nm以及漫线系的两对谱线568.3 nm和568.86 nm，497.78 nm和498.2 nm。在实验报告处理时可由原子物理的知识可以计算求出钠的里德伯常数R。 （2）：高压汞灯光谱测量 光源：高压汞灯
要求设计和调整光路采用透镜聚焦法把光导入入射狭缝，测量时须找出合适的负高压值，并利用采集程序设定合理的测量范围获取高压汞灯的各个分立峰的的光谱曲线。并记录负高压值和保存光谱曲线。 （3）：红宝石晶体的发射和吸收光谱的测量
光源：氦氖激光器（632.8 nm），半导体激光器（650 nm），高压汞灯，溴钨灯（360-2500 nm），532 nm激光器
51
红宝石是掺有少量Cr的Al203单晶，Cr的外层电子组态为3d4S，掺入Al203晶格后，失去外层三个电
3+3+
子，变成三价的Cr离子，红宝石晶体的光谱就是Cr离子在3d壳上三个电子发生能级跃迁的反映，人们
3+4
根据红宝石晶体的吸收光谱和晶体场理论推知Cr离子参与激光作用的能级结构图如图2-1所示，图中A2
2-14-14-1
是基态，E能级（14400 cm）是亚稳态，寿命比较长，约为3ms，F1（25000 cm）和F2（17000 cm）
242
是两个吸收带，红宝石晶体的激光作用在E和A2能级之间产生，输出的波长是694.3nm，由于E能级的
24
电场分裂，在E和A2能级之间跃迁对应两条强荧光线R1和R2，R1线的波长是694.3 nm，R2线的波长是692.8 nm，由于高能级粒子数少于低能级，所以激光输出总是R1线。
红宝石晶体对不同波长的入射光吸收不同，吸收系数随入射光波长而变化的关系就是吸收光谱特性。3+4
Cr所吸收中心波长为410.0 nm的兰紫光而跃迁到强吸收带F1态，也能吸收波长为550.0 nm的黄绿光而跃
4
迁到另一强吸收带F2态,这两个吸收带的带宽都在100.0 nm左右,与氙灯或汞弧灯的光谱匹配较好。
要求自己设计和调整光路，并选取合理的负高压值，测量出红宝石的发射光谱和吸收光谱。实验报告中要求分析红宝石晶体的发光原理以及应用。 （4）：滤光片的吸收曲线测量
光源：溴钨灯（360-2500 nm）
要求设计和调整光路，并在光路中插入滤光片，选取合适的负高压值，测量其吸收曲线。实验报告中要求分析滤光片的性能和吸光特性。 （5）：罗丹明6G溶液的发射和吸收光谱测量
光源：溴钨灯（360-2500 nm）532 nm激光器
-3
实验使用的激光染料晶体罗丹明6G的水溶液和乙醇溶液（5x10M），采用比色皿作为样品池。
要求设计和调整光路，并在光路中插入样品池，选取合适的负高压值，测量其吸收曲线。实验报告中要求分析滤光片的性能和吸光特性。