測(cè)定光源的輻射能譜光源作為科學(xué)研究中的認(rèn)識(shí)工具和工程技術(shù)中的照明器件有著廣泛的應(yīng)用，在物質(zhì)成份分析、結(jié)構(gòu)研究、檢驗(yàn)和光學(xué)測(cè)量等方面都是必不可少，而且在很多情況下，住住起著關(guān)鍵的作用。激光作為目前最好光源，它的出現(xiàn)為現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域帶來(lái)的一系列巨大的變化正說(shuō)明了這一點(diǎn)。因此，我們?cè)诮鉀Q實(shí)際問(wèn)題時(shí)，必須對(duì)光源的性能有所了解，為正確選擇光源提供技術(shù)依據(jù)，以保證成功地達(dá)到所預(yù)期的目的。本實(shí)驗(yàn)利用WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀及二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源研究光源的光譜特性一輻射能譜。本實(shí)驗(yàn)所使用的主要儀器一WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀是集光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)、計(jì)算技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)于一體的智能化測(cè)量?jī)x器。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用有較深刻的了解，為進(jìn)一步了解各種現(xiàn)代光譜儀器的工作原理奠定良好的基礎(chǔ)。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私廨椛涠葘W(xué)的一些基本概念；了解光源的光譜特性及標(biāo)準(zhǔn)光源、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源的概念；了解單色儀、光電倍增管的結(jié)構(gòu)、工作原理和方法；學(xué)習(xí)測(cè)定光源的光譜特性一輻射能譜曲線的原理和方法；對(duì)計(jì)算機(jī)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用有較好的了解。二、 儀器用具二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源（鎢帶燈），待測(cè)光源（漠鎢燈，日光燈，半導(dǎo)體激光器），汞燈，WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀，計(jì)算機(jī)，打印機(jī)。三、實(shí)驗(yàn)原理1.基本概念（1）光源輻射通量、輻射度及輻射能譜強(qiáng)度輻射通量（功率）：光源在單位時(shí)間輻射出的輻射能量，其單位為瓦特。強(qiáng)度輻射度：光源上單位面積在單位時(shí)間輻射出的輻射能量，其單位為瓦特每平方米。輻射能譜：給定光源只能輻射出一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，且所輻射出的不同波長(zhǎng)的光的輻射通量亦不同，光源輻射通量隨波長(zhǎng)的分布稱(chēng)為光源的輻射能譜（亦稱(chēng)光譜能量分布），記為E（）（亦稱(chēng)光譜能量分布），記為E（）。（2）標(biāo)準(zhǔn)光源及其輻射能譜圖1黑體及鎢帶燈的相對(duì)輻射能譜標(biāo)準(zhǔn)光源：已知輻射能譜分布的光源稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)光源，理相的標(biāo)準(zhǔn)光源是絕對(duì)黑體。其相對(duì)輻射能譜如圖1所示。（3）光源的發(fā)射率、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源及其輻射能譜發(fā)射率：其它光源和物體都是非黑體，它們的輻射本領(lǐng)都小于黑體。通常把非黑體光源在一定溫度下的輻射度與黑體的輻射度之比稱(chēng)為該光源的發(fā)射率，記為￡（人）。二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源及其輻射能譜：作為標(biāo)準(zhǔn)光源的黑體其制作和使用都比較復(fù)雜。鎢絲是非黑體，它在某一溫度下的輻射能譜與同一溫度下黑體的輻射能譜形式相同，只是輻射度比黑體小，其相對(duì)輻射能譜如圖1所示。因此，在要求不高的情況下，通常用溫度等于2800K的鎢帶燈作為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源。二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源一鎢帶燈的輻射能譜：E鎢（》之值可由黑體的輻射能譜E黑體（力）及鎢帶燈的光譜發(fā)射率￡鎢（人）求得，即E（）=E黑體（"￡鎢（》 （1）或給標(biāo)定過(guò)的鎢帶燈通以額定電流，由鎢帶燈出廠時(shí)附帶的數(shù)表直接查得。測(cè)定給定光源的輻射能譜（1）測(cè)量裝置圖2實(shí)驗(yàn)裝置框圖實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖2所示。光柵單色儀作為分光儀；光電倍增管作為光探測(cè)器；電控系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)軟件的控制下，為單色儀的掃描系統(tǒng)及光電倍增管提供驅(qū)動(dòng)電壓及負(fù)高壓，并將光電倍增管所探測(cè)的光電壓信號(hào)進(jìn)行處理后送入A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)與A/D圖2實(shí)驗(yàn)裝置框圖光柵單色儀光柵單色儀是能將復(fù)色光分解成一系列獨(dú)立單色光的分光儀器。其原理光路圖如圖3所示。入射到光柵單色儀的復(fù)色光經(jīng)入射狹縫S1后投射到球面反射鏡M］上，S］處于M1的焦平面上，因此，經(jīng)球鏡M1反射后的光束為平行光束，這平行光束經(jīng)平面光柵G分光后，分成不同波長(zhǎng)的平行光束以不同的衍射角投向球面反射鏡m2,球鏡m2起照相物鏡的作用，將這些平行光束經(jīng)平面鏡M3反射后成像于它的焦平面上，從而得到一系列的光譜。出射狹縫位于球鏡m2的焦平面上，根據(jù)它開(kāi)啟的寬度大小，允許波長(zhǎng)間隔非常狹窄的一部分光束射 圖3光柵單色儀原理光路圖

出狹縫S2,當(dāng)光柵按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)（在本實(shí)驗(yàn)中光柵的旋轉(zhuǎn)是由計(jì)算機(jī)來(lái)控制的），可以在狹縫s2處得到光譜純度高的不同波長(zhǎng)的單色光。這樣單色儀就起到了將入射的復(fù)色光分解成一系列獨(dú)立單色光的作用。光電倍增管圖4光電倍增管及直流工作電路光電倍增管是利用外光電效應(yīng)制成的能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電器件。其結(jié)構(gòu)及工作電路如圖4所示。光電倍增管內(nèi)有一個(gè)陰極K，若干個(gè)二次發(fā)射極D1、D2、D3、…、Dn和一個(gè)陽(yáng)極A。使用時(shí)，利用如圖所示的電路給各電極間加上合適的直流電壓（本實(shí)驗(yàn)中是由計(jì)算機(jī)控制電控系統(tǒng)來(lái)提供的），形成極間電場(chǎng)。當(dāng)陰極受到合適頻率光照射時(shí)就會(huì)發(fā)射電子，這一初級(jí)電子被極間電場(chǎng)加速而轟擊二次發(fā)射極D1，使D1發(fā)射出更多的次級(jí)電子，這些電子再被極間電場(chǎng)加速而轟擊d2，d2再發(fā)射出更多的次級(jí)電子。電子數(shù)就這樣逐級(jí)遞增，最后到達(dá)陽(yáng)極的電子數(shù)可達(dá)原來(lái)的數(shù)百萬(wàn)倍，在電路中形成較大的與照射輻射通量成正比的電流（或電壓），這樣就起到了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的作。通過(guò)測(cè)量光電倍增管輸出電流（或電壓）圖4光電倍增管及直流工作電路光電倍增管比一般光電器件（如光電管、光電池、光電二極管等）的靈敏度高得多，微弱的光照就能產(chǎn)生較大的陰極電流。因此，使用光電倍增管時(shí)，要嚴(yán)格避免強(qiáng)光照射，測(cè)量時(shí)要特別防止雜散光的影響。當(dāng)光電倍增管加上高壓電源后，即使處在完全暗的環(huán)境，陽(yáng)極電流仍不為零，這一電流稱(chēng)為暗電流。暗電流與周?chē)s散光的影響應(yīng)在測(cè)量中予以扣除。電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)由三部分電路組成，其功能是：為光電倍增管產(chǎn)生負(fù)高壓的電路；對(duì)光電倍增管輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大的前置放大電路；為單色儀提供驅(qū)動(dòng)電壓的驅(qū)動(dòng)電路。這三部分電路都是在A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所輸出的數(shù)子控制信號(hào)的控制下工作的。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的作用是將光電倍增管輸出的經(jīng)電控系統(tǒng)處理的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)子電壓信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，同時(shí)將軟件產(chǎn)生的數(shù)子控制信號(hào)送入電控系統(tǒng)以控制單色儀的掃描系統(tǒng)及光電倍增管的負(fù)高壓。軟件功能軟件的基本功能是：設(shè)置光譜儀的工作方式及測(cè)量條件。測(cè)量條件包括測(cè)量能量范圍、波長(zhǎng)范圍及波長(zhǎng)間隔、前置放大電路的增益值；根據(jù)設(shè)置的測(cè)量條件產(chǎn)生對(duì)電控系統(tǒng)三部分電路的數(shù)子控制信號(hào)以控制單色儀的掃描范圍和前置放大電路的增益；采集、處理數(shù)據(jù)、繪制曲線并顯示、存儲(chǔ)、打印原始數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果。（2）測(cè)定給定光源的輻射能譜光入射到任何物體上時(shí)，在該物體上將會(huì)產(chǎn)生反射、吸收和透射.為描述光與物體相互作用的這種特性，通常引入反射率、吸收率及透射率的概念.其中物體對(duì)光的外透射率T（X）定義為T(mén)（X）=EG）/E0X）式中Et（X）和E0（X）分別為透射輻射通量和入射輻射通量.若用E鎢（人）、E（X）分別表示鎢帶燈及待測(cè)光源的輻射能譜，用T單（人）、T管（人）分別表示單色儀及光電倍增管的透射率.則根據(jù)外透射率的定義,當(dāng)以鎢帶燈為光源時(shí)，計(jì)算機(jī)所測(cè)得的電壓值U鎢（人）與E鎢（人）、T單（人）、T管（人）以及單色儀狹縫寬度所對(duì)應(yīng)的光譜寬度d人成正比，即TOC\o"1-5"\h\zU鎢閃8E鎢仇）-T單仇）-T管°）-辦 （2）當(dāng)以待測(cè)光源作為光源時(shí)，計(jì)算機(jī)上所測(cè)得的電壓值U（X）則與EQ）、T單（人）、T管（人）、d人成正比，即U（k）"E（k）-T單（入）-T管閃?辦 （3）如果上述兩次測(cè)量時(shí)測(cè)量條件完全相同,即使用相同的單色儀、光電倍增管及狹縫寬度，則在兩次測(cè)量中T單（人）、T管（人）與d人都是相同的.將式（17）除以式（16）得E（X）=E鎢（A）?U（k）/U鎢（A） （4）因此，只要利用上述裝置分別測(cè)出不同光源時(shí)光電倍增管的輸出電壓值，由式（4）即可得待測(cè)光源的輻射能譜E（A）.四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單色儀初始化（1） 先接通電控系統(tǒng)的電源，然后再啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。（2） 執(zhí)行應(yīng)用程序“WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀”，根據(jù)屏幕提示對(duì)單色儀進(jìn)行初始化。用汞燈的已知波長(zhǎng)的光譜校準(zhǔn)光譜儀的波長(zhǎng)計(jì)數(shù)（1） 設(shè)置參數(shù)：根據(jù)汞燈的光譜及能量范圍，設(shè)置光譜儀的工作參數(shù)。光譜儀的工作參數(shù)主要包括：?jiǎn)紊珒x入射、出射狹逢寬度，倍增管負(fù)高壓，工作方式（模式，波長(zhǎng)間隔）、工作范圍（起始和終止波長(zhǎng)，能量的測(cè)量范圍）、工作狀態(tài)（增益，采集次數(shù)）。（2） 接通汞燈電源，使其發(fā)出的光直接照射在單色儀的入射狹縫上。（3） 測(cè)定汞燈的U汞（入）之值：選擇主工具欄中的單程則開(kāi)始測(cè)汞燈的能量譜（其測(cè)量結(jié)果顯示在工作區(qū)中）。（4） 波長(zhǎng)修正：選擇主菜單中讀取數(shù)據(jù)中的尋峰功能（自動(dòng)），將尋峰結(jié)果的峰值波長(zhǎng)值與標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)值相比較，若有差別，則選擇主菜單中讀取數(shù)據(jù)的波長(zhǎng)修正功能，并根據(jù)屏幕提示輸入修正波長(zhǎng)值。測(cè)定光源的輻射能譜（1） 設(shè)置參數(shù)：根據(jù)待測(cè)光源的光譜及能量范圍，設(shè)置光譜儀的工作參數(shù)。（2） 測(cè)定次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)光源（鎢燈）的U鎢入）之值并保存之。（3） 測(cè)定待測(cè)光源的U（入）之值并保存之。測(cè)定三種待測(cè)光源（漠鎢燈，日光燈，半導(dǎo)體激光器）的輻射能譜。數(shù)據(jù)處理（1） 利用應(yīng)用程序“WGD-5型組合式多功能光柵光譜儀”主菜單中的數(shù)據(jù)圖形處理（D）功能，根據(jù)公式（4）計(jì)算E（入）之值（E鎢（入）的數(shù)據(jù)文件已存于計(jì)算機(jī)中）。（2） 打印出E（入）