使用光学多道测量光谱实验报告
近代物理学实验报告（一）
——使用光学多道测量光谱
姓名：韦江波
班级：物理091
学号：09990233
联系方式：670959
摘要
光学多通道分析器（Optical Multichannel Analyzer）简称OMA，是一种采用多通道快速检测和显示微弱光谱信号的电子光学仪器。它能方便地给出各种待测光谱的光谱曲线和光谱数据，可用于快速光谱分析及各种光谱研究。光学多通道分析器是由光学多色仪、并行检测器及其控制器和数据处理台（专用的微型电子计算机及其输出显示用的荧光屏）等三大部分组成。
关键词
电荷耦合器件；光学多道分析器；光谱仪
引言
在现代光学多道检测系统中，以光导摄象管或扫光二极管列阵作为多通道检测器，用微处理机采集，处理并存贮数据，并且采用多色仪的光学多道分析器，其特点是体积小、操作方便、速度快、信息容量大，而且光谱分辨率、时间分辨率和空间分辨率都极高。
光谱分析是研究物质微观结构的重要方法，它广泛应用于化学分析、医药、生物、地质和考古等部门。常见的光谱有吸收光谱、发射光谱和散射光谱。涉及的波段从x射线、紫外光、红外光到微波和射频波段。本实验通过测量发光二极管发射光谱，使大家了解发光二极管的主要光学特性和光谱测量的基本方法。
实验方案
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：dsink,k0,1,2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dcos,/(dcos)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。
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、实验仪器
光学多通道分析仪
四、实验步骤
（1）摆放好Hg灯，使光源聚集在多色仪的缝上，适当调节狭缝的宽度，但是必须使缝宽在0.2～2mm的范围内，不可超过2mm以免损坏仪器。
（2）打开CCD的电源，再打开计算机及计算机上相应的光学多道分析软件。考虑到背景光线的影响，按下背景清除按键，清除原先记录的默认值，然后关闭汞灯，按下背景记忆。接下来计算机会将实际采集的谱线与背景相减，获取真实的谱线。
（3）设置中心波长为500nm（中心波长的调整过程当中，应当缓慢调节，每次调节都应当在上一次调节生效之后），按下“实时采集”按键，采集Hg的特征谱线。根据Hg光谱的尖锐程度，适当调整光源和透镜的位置，以及狭缝的大小。(如果没看到谱线，只看到一些噪声信号，则要适当调整中心波长的设置，有可能谱线在电脑上你所看到范围之外)
（4）得到较尖锐的光谱后，点击工具栏下的“停止”，实时采集完毕。将转换开关打到观察窗，打开CCD的遮光盖，观察衍射光谱。可以看到一道强绿光和两道黄光对照。Hg有435.84nm、546.07nm、576.96nm和579.0nm四条特征谱线，由于在计算机上所能反映的光谱带宽为150nm-200nm之间，中心波长为550nm。读取三条尖锐光谱的位置数组，做差，根据其差值比，及观察窗查看到的光线颜色，可以确定三条光谱为546.07nm,576.96nm,579.07nm这三条特征谱线。
（5）确定了特征谱线之后，利用这几条特征谱线进行定标，将横坐标的道数转化为波长显示。在实验过程中采用手动定标，在“数据处理”中选择“手动定标”，选定546.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，按“下一点”之后选定579.07nm的谱线，按回车键，输入谱线波长，点击“定标”后选择线性定标后，计算机就根据Hg的特征谱线来完成定标，将横坐标的道数显示转换成波长显示。
（6）测量纳光的波长，将Hg灯光源换为钠灯光源，采集同一波长范围内的待测钠光的光谱，在完成实时采集之后，对光谱图进行寻峰（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）。
数据处理
实验数据如下图所示
选取恰当的中心波长后，通过读取三条尖锐光谱的位置数组，做差，根据其差值比，及观察窗查看到的光线颜色，确定三条光谱为546.07nm,576.96nm,579.07nm这三条特征谱线。
定标，选取波长为546.07nm和579.07nm的两个峰，得到定标公式
得到钠双线波长588.93nm、589.55nm与实际测量值589.0nm、589.60nm极为接近。
实验总结
在实验过程中，可以说是碰上了许多问题，究其原因主要就是因为对实验仪器的了解不够以及对实验细节的掌控不到位。在实验开始就找不到观察窗，甚至开始还以为观察窗是在软件里调的，直到后来发现软件使用说明书里也找不到关于观察窗的只言片语，才发现观察窗属于硬件。还有就是噪声信号的影响，直接原因是狭缝的宽度以及狭缝与灯的位置没有把握好，这个度也只能从实验中细细体味。最大的问题出现在最后一步对钠光灯波谱的寻峰过程当中，在前几次实验当中，虽然双线的波长也可以得到，但每次都不止两个波峰，会有其他一些无用的波峰，在假使我们不知道钠双线波长的情况下，也就是实验假定情况下，我们是不能从中分辨出哪两个峰是我们需要的。后来发现，问题就出在背景记忆这里，因为我们每次用观察窗观看光谱时，为了看清楚一些，都会关掉一些灯，这样就使背景变暗，去除背景后（存的背景还是原来的背景记忆）就会对光谱产生一定的削弱，定标的时候就会出现些问题，特别是背景记忆出现较大变动的地方可能会出现波峰，然后在对钠灯光谱的测定时产生影响。在实验的开始，在第一张数据图中可以看到有三个波峰，调节一下中心波长可以使汞灯光的四个波峰一齐出现，最初我想定四个点总比两个准确，但经实践发现，定四个点后，得到的钠双线波长大概与实测值差了好几十，后来又试了定三个点，仍发现偏离了几个纳米，百思不得其解。我想做实验就是带着问题去做实验，然后做完实验后出来依旧是带着问题，新的一个问题。
参考文献
【1】近代物理实验讲义。[J]浙江师范大学树立信息学院近代物理实验.2011-9
【2】张天喆、董有尔，近代物理实验。[J]科技出版社.2004-1