内容发布更新时间 : 2024/11/15 17:03:47星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

实验一 用光柵光谱仪测定介质的吸收光谱

介质的吸收光谱与发射光谱一样，不但用于光谱分析，而且用于研究物质结构。在原子物理、分子物理、化学、天体物理等领域内，吸收光谱是一种重要的研究手段。

光谱仪是常用的基本光学仪器，可用于测量介质的光谱特性、光源的光谱能量分布等。本实验中用光谱仪测量钕玻璃的吸收曲线。 实验目的

1． 了解光柵光谱仪的构造及其使用方法

2． 加深对介质光谱特性的了解，掌握测量介质的吸收曲线或透射曲线的原理和方法。 实验原理

当一束光穿过有一定厚度的介质平板时，有一部分光被反射，另有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λ，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反射的光强为 IR ，从界面1向介质透射光的光强为I1，到达 界面2的入射光的强度为I2，从界面2射出的 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Ti分别为

T=

IT （1）

I0Ti=

I2 （2） I1

图1 一束光入射到平板上

这里的IR，I1，I2，和IT，都应该是光在界面1和2上以及介质中多次反向和透射的总效果。

一般来说，介质对光的反射、透射和吸收不但与介质有关，而且与入射光的波长有关。我们将光谱透射率与波长的关系曲线称为透射曲线。在均匀介质内部，光谱透射率与介质厚度有如下关系

Ti?e?ad （3）

式中，a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。

设光垂直入射到厚度d为的介质上，光要从前后表面发生反射，如果a值很小，反射可以进行多次，若介质表面的反向系数为R，则透过样品的光强为

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IT?IT1?IT2?IT3?IT4??

2?ad22?3ad?I（e?I（Re?? 01?R）01?R）2?adI（01?R）e? （4） 1?R2e?2ad式中IT1、IT2、IT3、IT4、…，分别表示从界面2第一次透射，第二次透射，…，光的光强。所以

2?adIT（1?R）e （5） T??2?2adI01?Re通常，介质的光谱透射率Ti和吸收系数a通过测量由同一材料加工成的（a相同）

表面性质相同（R相同）但厚度不同的两块试样的光谱外透射率后计算得出的。设两块试样的厚度分别为d1和d2，d2 > d1，光谱外透射率分别为T1和T2 。

由（5）式可得

2T2e?ad（1?R2e?2ad1） ??ad12?2ad2T1e（1?Re）一般和都很小，故上式可近似为

T21 （6） ?e?a（d2?d）T1所以

a?比较(6)式和(3)可知

lnT1?lnT2 （7）

d2?d1T2 （8） T1Ti?本实验中采用光电倍增管来测量光强。在合适的条件下，光电倍增管输出的电流与入射光的光强成正比。因而利用光电流的输出值就可由下式计算光谱透射率和吸收系数

Ti?i2 （9） i1lni1?lni2 （10）

d2?d1a?28

式中i1和i2分别表示试样厚度分别为d1和d2时光电流的大小。 光栅光谱仪的简介

图2是本实验所用的WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪示意图。它由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元、计算机等组成。该设备集光学、精密机械、电子学及计算机技术于一体，可实现对光源的光谱能量分布及介质透光率的自动测量。

此WGD－3型组 合式多功能光栅光谱 仪中使用的光栅单色 仪由三部分组成：入射 狭縫和准直球面反射 镜构成入射准直系统， 以产生平行光束；反射 光柵G（1200G/mm） 构成色散系统，以产生图2 WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪简图 各种波长的单色光；聚

焦球面反射镜、平面反射镜及出射狭縫及构成出射聚光系统，将光栅的单色光会聚在出射狭縫上，或者移开小反射镜，使光束会聚在S2上。

WGD－3型组合式多功能光栅光谱仪在工作时，会聚透镜将光源发出的连续光会聚到入射狭缝S1上，然后投射到M1上。由于S1处在M1的焦平面上，因此M1的反射光线成为平行光。此平行光经光柵G衍射后，分成一系列衍射方向不同的各种波长的单色平行光。由于光柵G受到由扫描系统控制的电机带动而使光栅旋转，因而不同波长单色平行光会相继投射到聚焦球面反射镜M2及出口狭縫S2或S3上（因M2的焦平面正好与S2重合）。出射光束光强的大小由光电倍增管检测，此光电信号经放大及模数转换后送入计算机中，经计算机处理后得到相关的光谱特性曲线。 实验内容

一、单色仪的调节和波长示值的修正

(1) 调光栅单色仪的底脚螺钉，以保证单色仪水平放置。

(2) 以汞灯作为光源，使光源和会聚透镜与单色仪的光学系统共轴。 (3) 校对单色仪的波长示值的准确度并作相应的修正。 校正时，首先调好狭縫和宽度（1~2mm）并点燃汞灯及打开仪器电控电源，调入WGD－3光谱仪的控制软件，等准备状态结束后，测量汞灯的能量谱。然后将计算机给出的汞的四条谱线的标称值与标准波长值（435.8nm，546.1nm，570.0nm，579.1nm）对比。若出现偏差，则应将修正值输入计算机中，对于我们所使用的WGD－3型光柵单色仪，波长示值的准确度≤0.2nm。

有关此仪器具体使用说明请阅读仪器使用须知。

二、测量钕玻璃在500.0nm~700.0nm范围内的吸收曲线

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