自准直式光谱仪的设计与研究

童玉龙

（沈阳师范大学，辽宁 沈阳 110034）

0 背景

随着社会的不断进步，市场也在不断发生变化。在学习教育方面，也发生了很大的改变，现代化教育始终向着高科技高技术方面不断进步。光谱仪不仅在日常生活中有非常重要的作用，在农业、天文、成分检测、半导体方面都有广泛应用。而在大学理工科实验课程中的光学实验中，光谱仪更是不可缺少的一部分，但是目前大多数光谱仪设备却存在各种各样影响实验操作的问题，基于大学理工科光学实验中教学光谱仪出现了理解难度较大，操作复杂，成本过高等问题。该研究利用所学知识和大学物理光学实验相结合，解决实验室仪器短缺的问题，并降低实验理解难度，使其简单易懂，并降低成本。在理工类学科的学习过程中，少不了实验探究。所以我们尝试了这样一个创新性实验项目设计，选择对于物理光学实验应用的光谱仪进行创新设计。在光谱仪原有的功能上，根据学生课堂学习特定，进行教学仪器方面的创新创造。在教学功能上，更贴近学生学习方法和特点。创新产品将应用于学校实验室等学生实际操作实验的领域。该作品创新在于对光谱仪原理在教学方面的实际应用，在成分检测方面操作简单，易于理解。该仪器做到了灵活变通，在大学实验室中更加方便，有利于学生在实验中进行创新，易于操作，使学生在实际操作应用中理解光谱仪的原理，提高学习效率。

1 原理分析

1.1 实验原理

光栅是根据多缝衍射原理制成的具有大量等宽等间距平行狭缝的一种分光元件，一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，而两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。根据结构分为平面光栅、阶梯光栅和凹面光栅等几种,同时又分为用于透射光衍射的透射光栅和用于反射光衍射的反射光栅2 类,该实验选用的是透射式平面光栅。透射式平面光栅是在光学玻璃上刻划大量相互平行、宽度和间隔相等的刻痕制成的。因为光栅上每毫米就刻划了超过几百甚至上千条刻痕，所以当光照以平行光束的形式照射在光栅上时,刻痕处由于散射不易透光,而未经刻划的部分就成了透光的狭缝。但是由于光刻光栅制造困难,价格昂贵,成本过高并不适合用于大量的推广和使用，所以大多数情况常用的是复制光栅和全息光栅。该实验采取全息光栅[1]。

如图1 和图2 所示，如果在实验中我们使用单色平行光垂直照射，则光束经过光栅衍射之后将在透镜的焦平面叠加，形成一些列光谱线，根据夫琅禾费衍射理论，衍射光谱中明条纹对应衍射角应满足：

图1 平行光束衍射图

图2 衍射参数原理图

式中：k为光谱线级数；ϕk为k级明条纹的衍射角；λ为入射光波长。

该式中d=a+b被称为光栅常量（后续实验所测数值之一：图2 中a为狭缝宽度，b为刻痕宽度），上述方程式即为光栅方程。由上式便可以看出，若在实验时计算得到了衍射角ϕk的情况下只需要根据光栅常量d 就可以计算出波长λ，当然该结论反之依然成立，即已知波长λ的情况下便可以代入光栅方程中计算出光栅常量d。所以通过该公式便可以在实验中完成基本的d 或者λ的测算，若入射光为复色光，由上式可得，在光的波长不同的情况下，衍射角ϕk也不同，于是复色光便受到了分解，但在中央k=0，ϕk=0 处形成中央明条纹即零级谱线。而在零级谱线两侧分布着对称的k级谱线，按照不同光波长依次散开，衍射角ϕk不断增加，形成光栅光谱[2]。

对光栅方程中λ微分，可以得到光栅重要参数之一，即角色散D：

角色散代表了单位波长间距之间两个单色谱线之间角距离，由上式可见，d越小，D越大。且D的大小在ϕ数值较小，cosϕ趋近于不变的情况下之下，几乎与波长无关，即光谱随波长的分布均匀。

1.2 仪器创新原理

在对仪器创新之前必须了解各元件的工作原理以及工作方式，对光路进行重新设计，简化光路，以此精简操作步骤和理解难度。入射夹缝、准直原件：该准直元件可以是1个独立的透镜、反射镜，或者直接集成在色散元件上，如果是光栅光谱仪可考虑透射光栅，并在光路终端区域加入了电脑端，通过电脑端实现数据采集记录、观察现象、计算参数等功能，加强了数据直观性和准确度。

色散元件：初步决定采用光栅，如图3 中的光路设计，使光信号在空间上可以按照波长分散成为多条光束。可以做到在实验时通过电脑端更加方便地观察现象。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狭缝的像，其中每个像点都会对应一个特定的波长。探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD 阵列[3]。

图3 光路设计平面图

传统的分光计和光栅的调节方法采用将望远镜聚焦于无穷远，准直管发出平行光，望远镜和准直管共轴且于分光计转轴正交并通过圆形载物台上螺丝调准使光栅平面与分光计转轴平行并垂直于准直管的方式。但该方式难度较大，不利于学生理解，且操作的不确定性大导致实验数据公差增加，加之器材的价格过高且容易造成损坏。所以该仪器采用自准直法对光路进行调节，使整个实验装置处于共轴状态，利用平面镜反光，光线的折射原理，在汞光源下方位置利用激光入射法检验凸透镜，光栅是否竖直方向垂直，方法是将汞光源关闭，打开激光光源进行入射，分别利用平面镜，光栅平面进行反射，在汞光源上方放一光屏，若光屏上所呈现的像与激光光源关于汞光源上下对称，则在竖直方向上垂直。利用同样的光路的反射原理对实验装置左右进行调节，在汞光光源的左侧进行激光入射，光屏呈接像，若像与激光光源左右对称，则光路实验装置在水平方向上也垂直。工作人员利用CCD 作为光屏进行接收，然后利用电脑呈现出来，便于观察。确定点光源通过凸透镜汇聚成平行光，再经过透射光栅在CCD 阵列检测器上呈现结果，显示不同光的波长。通过了解教学光谱仪制作的理论知识，确定了基本的研究方向。在各个资源网站上搜集有关理论介绍，步骤解析以及原件组成。为了与课堂教学研究想整合，更贴近课堂教学，方便学生观察使用和学习。通过现阶段大学物理课程光学的学习情况，利用所学知识，充分展开教学设计，把知识点通过实验进行联系，更具体更形象地制定了教学设计模型。有了初步模型之后，与老师进行交流，听取了老师给的意见，并对设计原理进行精化，更加完善了设计原理。最终，定下教学般光谱仪的设计图纸和研究原理。并将其组装设计完成为图4 中所展示的仪器效果。如图4 所示，激光发射进入狭缝之后在色散元件的作用下风通过竖轨道与水平轨道到达成像区域并在电脑端通过显示器显示实验结果，更加直观简洁。

图4 实验仪器结构设计立体图

2 实验阶段

2.1 测定光栅常量d

使用图5 仪器观察光栅光谱中的各条谱线，选择观察对应于k=±1 级的汞灯光谱中的绿线（即波长λ=546.1 nm）的该谱线左、右衍射光的角位置T1、T2通过公式从而计算出衍射角，重复多次实验后计算衍射角的平均值，将其代入光栅方程变式

表1：衍射角

取3 次平均值可得ϕk=21°15'

2.2 测定光波波长

接下来使用图5 仪器测定光波波长，选择仪器中汞灯光谱中的蓝色以及其他颜色谱线进行测量，得到对应于k=±1级谱线的衍射角ϕk，重复测量多次后并计算平均值，将第一步中所得到的光栅常量d 代入光栅方程的变式。

图5 实验装置图与实验效果图

2.3 测量光栅的角色散

选择汞灯作为实验光源，测量其1 级和2 级光谱之中双黄线的衍射角ϕk，得到双黄线的波长差为Δλ，查阅资料后可知实验所使用的汞灯光谱为2.06nm，结合所测得两级衍射角ϕk之差为Δϕ，代入角色散公式可得

表2 双黄线之间衍射角及波长参数表

3 结论

经过该实验结果验证该创新教学光谱仪制作成功。该实验仪器初衷不仅仅是制作一个创新的光谱实验仪，而且要在简化教学仪器的角度上对传统光谱仪工作结构和工作方式、光路设计等方面进行一定程度的创新，对光谱仪的部分功能进行适当优化，使光谱仪的操作更加简单。再适当添加一些独特的功能，让新研制的光谱仪更适合教学使用。当然在理工科的实验课程学习中，实践操作准确的重要性超过基础理论，为了保证猜想和设计正确，也少不了一系列的实践操作研究，所以同时工作人员通过以上光栅波长、光栅常量、角色散的测量实验验证了该光谱仪的基本功能可以胜任绝大多数大学理工科光学实验课程的要求。并且在光学实验学习方面，新制光谱仪相较于传统光谱仪可用性更高，并且操作简单，工作原理比一般光谱仪更易于理解，成功解决了现行大学光学光谱仪实验中所存在的实验烦琐，学生难以理解影响正常实验的问题，从而可以更好地激发学生的学习热情，节省教学空间。此外，该新制光谱仪的制作成本也比较低，结构简单，便于学生操作和推广使用。