自準(zhǔn)直式光譜儀的設(shè)計(jì)與研究

童玉龍

（沈陽師范大學(xué)，遼寧 沈陽 110034）

0 背景

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，市場也在不斷發(fā)生變化。在學(xué)習(xí)教育方面，也發(fā)生了很大的改變，現(xiàn)代化教育始終向著高科技高技術(shù)方面不斷進(jìn)步。光譜儀不僅在日常生活中有非常重要的作用，在農(nóng)業(yè)、天文、成分檢測(cè)、半導(dǎo)體方面都有廣泛應(yīng)用。而在大學(xué)理工科實(shí)驗(yàn)課程中的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，光譜儀更是不可缺少的一部分，但是目前大多數(shù)光譜儀設(shè)備卻存在各種各樣影響實(shí)驗(yàn)操作的問題，基于大學(xué)理工科光學(xué)實(shí)驗(yàn)中教學(xué)光譜儀出現(xiàn)了理解難度較大，操作復(fù)雜，成本過高等問題。該研究利用所學(xué)知識(shí)和大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，解決實(shí)驗(yàn)室儀器短缺的問題，并降低實(shí)驗(yàn)理解難度，使其簡單易懂，并降低成本。在理工類學(xué)科的學(xué)習(xí)過程中，少不了實(shí)驗(yàn)探究。所以我們嘗試了這樣一個(gè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)，選擇對(duì)于物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的光譜儀進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在光譜儀原有的功能上，根據(jù)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)特定，進(jìn)行教學(xué)儀器方面的創(chuàng)新創(chuàng)造。在教學(xué)功能上，更貼近學(xué)生學(xué)習(xí)方法和特點(diǎn)。創(chuàng)新產(chǎn)品將應(yīng)用于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室等學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)域。該作品創(chuàng)新在于對(duì)光譜儀原理在教學(xué)方面的實(shí)際應(yīng)用，在成分檢測(cè)方面操作簡單，易于理解。該儀器做到了靈活變通，在大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中更加方便，有利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行創(chuàng)新，易于操作，使學(xué)生在實(shí)際操作應(yīng)用中理解光譜儀的原理，提高學(xué)習(xí)效率。

1 原理分析

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

光柵是根據(jù)多縫衍射原理制成的具有大量等寬等間距平行狹縫的一種分光元件，一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕為不透光部分，而兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當(dāng)于一狹縫。根據(jù)結(jié)構(gòu)分為平面光柵、階梯光柵和凹面光柵等幾種,同時(shí)又分為用于透射光衍射的透射光柵和用于反射光衍射的反射光柵2 類,該實(shí)驗(yàn)選用的是透射式平面光柵。透射式平面光柵是在光學(xué)玻璃上刻劃大量相互平行、寬度和間隔相等的刻痕制成的。因?yàn)楣鈻派厦亢撩拙涂虅澚顺^幾百甚至上千條刻痕，所以當(dāng)光照以平行光束的形式照射在光柵上時(shí),刻痕處由于散射不易透光,而未經(jīng)刻劃的部分就成了透光的狹縫。但是由于光刻光柵制造困難,價(jià)格昂貴,成本過高并不適合用于大量的推廣和使用，所以大多數(shù)情況常用的是復(fù)制光柵和全息光柵。該實(shí)驗(yàn)采取全息光柵[1]。

如圖1 和圖2 所示，如果在實(shí)驗(yàn)中我們使用單色平行光垂直照射，則光束經(jīng)過光柵衍射之后將在透鏡的焦平面疊加，形成一些列光譜線，根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射理論，衍射光譜中明條紋對(duì)應(yīng)衍射角應(yīng)滿足：

圖1 平行光束衍射圖

圖2 衍射參數(shù)原理圖

式中：k為光譜線級(jí)數(shù)；?k為k級(jí)明條紋的衍射角；λ為入射光波長。

該式中d=a+b被稱為光柵常量（后續(xù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)值之一：圖2 中a為狹縫寬度，b為刻痕寬度），上述方程式即為光柵方程。由上式便可以看出，若在實(shí)驗(yàn)時(shí)計(jì)算得到了衍射角?k的情況下只需要根據(jù)光柵常量d 就可以計(jì)算出波長λ，當(dāng)然該結(jié)論反之依然成立，即已知波長λ的情況下便可以代入光柵方程中計(jì)算出光柵常量d。所以通過該公式便可以在實(shí)驗(yàn)中完成基本的d 或者λ的測(cè)算，若入射光為復(fù)色光，由上式可得，在光的波長不同的情況下，衍射角?k也不同，于是復(fù)色光便受到了分解，但在中央k=0，?k=0 處形成中央明條紋即零級(jí)譜線。而在零級(jí)譜線兩側(cè)分布著對(duì)稱的k級(jí)譜線，按照不同光波長依次散開，衍射角?k不斷增加，形成光柵光譜[2]。

對(duì)光柵方程中λ微分，可以得到光柵重要參數(shù)之一，即角色散D：

角色散代表了單位波長間距之間兩個(gè)單色譜線之間角距離，由上式可見，d越小，D越大。且D的大小在?數(shù)值較小，cos?趨近于不變的情況下之下，幾乎與波長無關(guān)，即光譜隨波長的分布均勻。

1.2 儀器創(chuàng)新原理

在對(duì)儀器創(chuàng)新之前必須了解各元件的工作原理以及工作方式，對(duì)光路進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，簡化光路，以此精簡操作步驟和理解難度。入射夾縫、準(zhǔn)直原件：該準(zhǔn)直元件可以是1個(gè)獨(dú)立的透鏡、反射鏡，或者直接集成在色散元件上，如果是光柵光譜儀可考慮透射光柵，并在光路終端區(qū)域加入了電腦端，通過電腦端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集記錄、觀察現(xiàn)象、計(jì)算參數(shù)等功能，加強(qiáng)了數(shù)據(jù)直觀性和準(zhǔn)確度。

色散元件：初步?jīng)Q定采用光柵，如圖3 中的光路設(shè)計(jì)，使光信號(hào)在空間上可以按照波長分散成為多條光束?？梢宰龅皆趯?shí)驗(yàn)時(shí)通過電腦端更加方便地觀察現(xiàn)象。聚焦元件：聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每個(gè)像點(diǎn)都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長。探測(cè)器陣列：放置于焦平面，用于測(cè)量各波長像點(diǎn)的光強(qiáng)度。該探測(cè)器陣列可以是CCD 陣列[3]。

圖3 光路設(shè)計(jì)平面圖

傳統(tǒng)的分光計(jì)和光柵的調(diào)節(jié)方法采用將望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)，準(zhǔn)直管發(fā)出平行光，望遠(yuǎn)鏡和準(zhǔn)直管共軸且于分光計(jì)轉(zhuǎn)軸正交并通過圓形載物臺(tái)上螺絲調(diào)準(zhǔn)使光柵平面與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸平行并垂直于準(zhǔn)直管的方式。但該方式難度較大，不利于學(xué)生理解，且操作的不確定性大導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)公差增加，加之器材的價(jià)格過高且容易造成損壞。所以該儀器采用自準(zhǔn)直法對(duì)光路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置處于共軸狀態(tài)，利用平面鏡反光，光線的折射原理，在汞光源下方位置利用激光入射法檢驗(yàn)凸透鏡，光柵是否豎直方向垂直，方法是將汞光源關(guān)閉，打開激光光源進(jìn)行入射，分別利用平面鏡，光柵平面進(jìn)行反射，在汞光源上方放一光屏，若光屏上所呈現(xiàn)的像與激光光源關(guān)于汞光源上下對(duì)稱，則在豎直方向上垂直。利用同樣的光路的反射原理對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置左右進(jìn)行調(diào)節(jié)，在汞光光源的左側(cè)進(jìn)行激光入射，光屏呈接像，若像與激光光源左右對(duì)稱，則光路實(shí)驗(yàn)裝置在水平方向上也垂直。工作人員利用CCD 作為光屏進(jìn)行接收，然后利用電腦呈現(xiàn)出來，便于觀察。確定點(diǎn)光源通過凸透鏡匯聚成平行光，再經(jīng)過透射光柵在CCD 陣列檢測(cè)器上呈現(xiàn)結(jié)果，顯示不同光的波長。通過了解教學(xué)光譜儀制作的理論知識(shí)，確定了基本的研究方向。在各個(gè)資源網(wǎng)站上搜集有關(guān)理論介紹，步驟解析以及原件組成。為了與課堂教學(xué)研究想整合，更貼近課堂教學(xué)，方便學(xué)生觀察使用和學(xué)習(xí)。通過現(xiàn)階段大學(xué)物理課程光學(xué)的學(xué)習(xí)情況，利用所學(xué)知識(shí)，充分展開教學(xué)設(shè)計(jì)，把知識(shí)點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行聯(lián)系，更具體更形象地制定了教學(xué)設(shè)計(jì)模型。有了初步模型之后，與老師進(jìn)行交流，聽取了老師給的意見，并對(duì)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行精化，更加完善了設(shè)計(jì)原理。最終，定下教學(xué)般光譜儀的設(shè)計(jì)圖紙和研究原理。并將其組裝設(shè)計(jì)完成為圖4 中所展示的儀器效果。如圖4 所示，激光發(fā)射進(jìn)入狹縫之后在色散元件的作用下風(fēng)通過豎軌道與水平軌道到達(dá)成像區(qū)域并在電腦端通過顯示器顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更加直觀簡潔。

圖4 實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)立體圖

2 實(shí)驗(yàn)階段

2.1 測(cè)定光柵常量d

使用圖5 儀器觀察光柵光譜中的各條譜線，選擇觀察對(duì)應(yīng)于k=±1 級(jí)的汞燈光譜中的綠線（即波長λ=546.1 nm）的該譜線左、右衍射光的角位置T1、T2通過公式從而計(jì)算出衍射角，重復(fù)多次實(shí)驗(yàn)后計(jì)算衍射角的平均值，將其代入光柵方程變式

表1：衍射角

取3 次平均值可得?k=21°15'

2.2 測(cè)定光波波長

接下來使用圖5 儀器測(cè)定光波波長，選擇儀器中汞燈光譜中的藍(lán)色以及其他顏色譜線進(jìn)行測(cè)量，得到對(duì)應(yīng)于k=±1級(jí)譜線的衍射角?k，重復(fù)測(cè)量多次后并計(jì)算平均值，將第一步中所得到的光柵常量d 代入光柵方程的變式。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖與實(shí)驗(yàn)效果圖

2.3 測(cè)量光柵的角色散

選擇汞燈作為實(shí)驗(yàn)光源，測(cè)量其1 級(jí)和2 級(jí)光譜之中雙黃線的衍射角?k，得到雙黃線的波長差為Δλ，查閱資料后可知實(shí)驗(yàn)所使用的汞燈光譜為2.06nm，結(jié)合所測(cè)得兩級(jí)衍射角?k之差為Δ?，代入角色散公式可得

表2 雙黃線之間衍射角及波長參數(shù)表

3 結(jié)論

經(jīng)過該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該創(chuàng)新教學(xué)光譜儀制作成功。該實(shí)驗(yàn)儀器初衷不僅僅是制作一個(gè)創(chuàng)新的光譜實(shí)驗(yàn)儀，而且要在簡化教學(xué)儀器的角度上對(duì)傳統(tǒng)光譜儀工作結(jié)構(gòu)和工作方式、光路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行一定程度的創(chuàng)新，對(duì)光譜儀的部分功能進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，使光譜儀的操作更加簡單。再適當(dāng)添加一些獨(dú)特的功能，讓新研制的光譜儀更適合教學(xué)使用。當(dāng)然在理工科的實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)中，實(shí)踐操作準(zhǔn)確的重要性超過基礎(chǔ)理論，為了保證猜想和設(shè)計(jì)正確，也少不了一系列的實(shí)踐操作研究，所以同時(shí)工作人員通過以上光柵波長、光柵常量、角色散的測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該光譜儀的基本功能可以勝任絕大多數(shù)大學(xué)理工科光學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的要求。并且在光學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)方面，新制光譜儀相較于傳統(tǒng)光譜儀可用性更高，并且操作簡單，工作原理比一般光譜儀更易于理解，成功解決了現(xiàn)行大學(xué)光學(xué)光譜儀實(shí)驗(yàn)中所存在的實(shí)驗(yàn)煩瑣，學(xué)生難以理解影響正常實(shí)驗(yàn)的問題，從而可以更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，節(jié)省教學(xué)空間。此外，該新制光譜儀的制作成本也比較低，結(jié)構(gòu)簡單，便于學(xué)生操作和推廣使用。