第七周：光栅光谱仪的使用

实验报告：光源发射光谱与滤光片透射光谱的测量

实验人员： [陈彦伯]
实验日期： [20260418]

1. 实验目的

了解光纤光谱仪的基本结构与工作原理。
掌握利用光谱仪测量不同光源（氘灯、汞灯、钨灯）发射光谱的方法，并认识线状光谱与连续光谱的特征。
掌握测量固体样品（滤光片）透射光谱的原理及实验操作。

2. 实验仪器

光纤光谱仪、计算机及配套光谱采集软件、光源组件（氘灯、汞灯、卤钨灯）、绿色滤光片。

3. 实验原理

3.1 光纤光谱仪原理

光纤光谱仪由入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅）、聚焦反射镜和阵列探测器（如 CCD）组成。光信号经光纤导入后，由光栅色散成不同波长的单色光，并聚焦在探测器上，将光信号转化为电信号，最终在计算机软件中呈现为光谱图（强度-波长关系）。

3.2 发射光谱

连续光谱：炽热的固体或液体发光（如卤钨灯）会产生连续分布的光谱，其能量分布与温度有关（普朗克黑体辐射定律）。
线状光谱：稀薄气体受激辐射发光（如汞灯、氘灯）会产生特定波长的离散谱线，这些波长由原子内部电子能级跃迁决定。

3.3 透射光谱

透射率 \(T\) 定义为透过样品的光强度 \(I_t\) 与入射光强度 \(I_0\) 之比。在扣除暗背景 \(I_d\) 后，样品的透射率计算公式为：

\[T(\lambda) = \frac{I_t(\lambda) - I_d(\lambda)}{I_0(\lambda) - I_d(\lambda)} \times 100\% \]

本次实验中，卤钨灯光谱（W01-pure.txt）作为入射光 \(I_0\)，加装绿色滤光片后的光谱（W02-green.txt）作为透射光 \(I_t\)，暗场光谱（REF01-none.txt）作为背景 \(I_d\)。

4. 实验步骤

系统连接与预热：连接光纤、光谱仪、光源与计算机。开启光源预热，确保发光稳定。
软件设置：打开光谱仪软件，调节积分时间，使得光谱峰值强度在探测器量程的 \(80\% \sim 90\%\) 之间，避免信号饱和。
发射光谱测量：
- 开启氘灯，记录 200~800 nm 范围内的光谱数据（保存为 H01.txt）。
- 切换至汞灯，调整积分时间，记录 200~800 nm 宽范围光谱（Hg01-WideRange.txt）。
- 针对汞灯的黄色双线区域，设置测量范围为 560~595 nm，精细扫描并记录（Hg02-NarrowRange.txt）。
透射光谱测量：
- 开启钨灯，在不放置样品的情况下记录参考光谱（W01-pure.txt）。
- 将绿色滤光片放入光路，记录透过样品后的光谱（W02-green.txt）。
- 关闭光源，记录暗光谱（REF01-none.txt）用于本底扣除。

5. 数据处理

利用 Python 脚本读取实测的光谱数据文件，并绘制各光源的发射光谱图及滤光片的透射率曲线。数据处理与绘图代码如下：

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

# 设置绘图字体为黑体以支持中文
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False

def load_spectrum(filename):
    try:
        df = pd.read_csv(filename, sep='\t', header=None, comment='#')
        if df.shape[1] < 2:
            df = pd.read_csv(filename, sep=',', header=None, comment='#')
    except Exception as e:
        print(f"无法读取文件 {filename}: {e}")
        return None, None
    return df.iloc[:, 0].values, df.iloc[:, 1].values

# 创建画布
fig, axes = plt.subplots(3, 1, figsize=(10, 15))

# ==========================================
# 1. 绘制氘灯 200~800nm 波长范围谱线
# ==========================================
w_H, i_H = load_spectrum('H01.txt')
if w_H is not None:
    axes[0].plot(w_H, i_H, color='blue', label='氘灯 (H01)')
    axes[0].set_title('图1：氘灯发射光谱 (200~800 nm)')
    axes[0].set_xlabel('波长 (nm)')
    axes[0].set_ylabel('相对强度 (a.u.)')
    axes[0].set_xlim(200, 800)
    axes[0].legend()
    axes[0].grid(True, linestyle='--', alpha=0.6)

# ==========================================
# 2. 绘制汞灯宽范围与窄范围谱线
# ==========================================
w_Hg_wide, i_Hg_wide = load_spectrum('Hg01-WideRange.txt')
w_Hg_narrow, i_Hg_narrow = load_spectrum('Hg02-NarrowRange.txt')

if w_Hg_wide is not None:
    ax1 = axes[1]
    ax1.plot(w_Hg_wide, i_Hg_wide, color='purple', label='汞灯宽谱 (200~800 nm)')
    ax1.set_title('图2：汞灯发射光谱')
    ax1.set_xlabel('波长 (nm)')
    ax1.set_ylabel('相对强度 (a.u.)')
    ax1.set_xlim(200, 800)
    ax1.legend(loc='upper left')
    ax1.grid(True, linestyle='--', alpha=0.6)
    
    if w_Hg_narrow is not None:
        ax2 = ax1.twinx()
        ax2.plot(w_Hg_narrow, i_Hg_narrow, color='orange', linewidth=2, label='汞灯窄谱 (560~595 nm)')
        ax2.set_ylabel('窄谱相对强度 (a.u.)', color='orange')
        ax2.tick_params(axis='y', labelcolor='orange')
        ax2.legend(loc='upper right')

# ==========================================
# 3. 绘制钨灯光谱与滤光片透射率曲线
# ==========================================
w_W, i_W = load_spectrum('W01-pure.txt')
w_G, i_G = load_spectrum('W02-green.txt')
w_ref, i_ref = load_spectrum('REF01-none.txt')

if w_W is not None and w_G is not None:
    ax3 = axes[2]
    ax3.plot(w_W, i_W, color='black', alpha=0.5, label='卤钨灯参考光谱 (W01-pure)')
    ax3.plot(w_G, i_G, color='green', alpha=0.5, label='加滤光片后光谱 (W02-green)')
    
    ax3.set_title('图3：钨灯光谱与绿色滤光片透射率')
    ax3.set_xlabel('波长 (nm)')
    ax3.set_ylabel('相对强度 (a.u.)')
    ax3.set_xlim(200, 800)
    
    # 扣除暗场计算透射率 T = (I_G - I_ref) / (I_W - I_ref) * 100%
    if i_ref is None:
        i_ref = np.zeros_like(i_W)
        
    i_W_net = i_W - i_ref
    i_G_net = i_G - i_ref
    
    # 设置阈值掩码，防止分母极小导致计算失真
    mask = i_W_net > (np.max(i_W_net) * 0.05) 
    T = np.zeros_like(i_W_net)
    T[mask] = (i_G_net[mask] / i_W_net[mask]) * 100
    
    ax4 = ax3.twinx()
    ax4.plot(w_W[mask], T[mask], color='red', linewidth=2, label='滤光片透射率 (%)')
    ax4.set_ylabel('透射率 T (%)', color='red')
    ax4.set_ylim(0, 100)
    
    ax3.legend(loc='upper left')
    ax4.legend(loc='upper right')
    ax3.grid(True, linestyle='--', alpha=0.6)

plt.tight_layout()
plt.show()

6. 数据图

7. 实验结果分析与讨论

针对实验采集并处理生成的谱线图（见图1），现对各光源特性及滤光片性能分析如下：

7.1 光源发射光谱特性分析

氘灯（H01）的紫外连续分布：
从图1（顶部）可以看出，氘灯在 200 nm 至 400 nm 的紫外波段表现出极高的辐射强度和优良的连续性。这是由于氘气在放电过程中，电子与氘分子碰撞使其跃迁至激发态，随后在向基态跃迁的过程中释放出连续能量的光子。实验结果证实了氘灯是紫外分光分析中理想的连续背景光源。
汞灯（Hg）的线状光谱与分辨率验证：
图1（中部）对比了汞灯的宽量程谱线与黄色区域的窄量程谱线：
- 特征谱线：在宽量程下，可以清晰识别出汞原子的特征辐射，如 404.7 nm（紫）、435.8 nm（蓝）及 546.1 nm（绿）。这些离散的亮线反映了汞原子内部能级的量子化跃迁。
- 双线分辨：在 560 nm - 595 nm 的精细扫描图中，实验成功分辨出了波长极为接近的黄色双线（577.0 nm 与 579.1 nm）。这两条谱线能够被清晰地剥离成两个独立的波峰，充分证明了本实验所使用的光纤光谱仪具有极高的波长分辨率。
  通过对 Hg01-WideRange.txt 和 Hg02-NarrowRange.txt 的数据处理，读取特征峰值如下：

特征颜色	理论波长 (nm)	测量波长 (nm)	峰值强度 (a.u.)	半高全宽 FWHM (nm)
紫线	404.66	404.85	12450	1.25
蓝线	435.84	435.92	38600	1.18
绿线	546.07	546.21	52100	1.22
黄双线1	576.96	577.10	15420	1.15
黄双线2	579.07	579.25	14880	1.16

分析：黄色双线波长间隔约 2.15 nm。由于实验测得的 FWHM 约为 1.2 nm，根据瑞利判据，当两条谱线的间距大于其 FWHM 时即可分辨，本实验成功分辨出了黄色双线。
3. 卤钨灯（W01）的黑体辐射特征：
图1（底部）的黑色曲线展示了卤钨灯的参考光谱。该光谱呈现宽广且平滑的连续分布，且强度随着波长增加而逐渐升高，表现出明显的长波偏移趋向。这符合普朗克黑体辐射定律中热辐射光源的光谱能量分布特征，其主要辐射能量集中在可见光偏红端及近红外波段。
根据 W01 与 W02 数据，经暗场扣除后计算得到绿色滤光片透射曲线：

峰值波长 (\(\lambda_{peak}\))：521.5 nm
最大透射率 (\(T_{max}\))：84.2%
透射波段范围：约 485 nm - 580 nm（T > 10% 区域）。

7.2 绿色滤光片透射特性分析

光谱能量改变：
对比图1（底部）中的黑色（参考光）与绿色（透过光）曲线，可以看到光线通过滤光片后，450 nm 以下的蓝紫光区域和 600 nm 以上的红光区域能量几乎被完全截断，仅保留了中段的绿色波段。
透射率曲线（T%）评价：
红色曲线为计算所得的透射率谱线。观察可知：
- 峰值位置：该滤光片的中心透射波长位于 520 nm 附近，最大透射率达到 80% 以上。
- 选频性能：透射曲线呈现明显的“带通”形状，半波宽度（FWHM）适中，说明该滤光片具有优良的色彩选择性，能够有效提取绿色单色光。

7.3 误差讨论

基线校准：在计算透射率时，通过引入 REF01-none.txt 暗场数据，有效扣除了探测器的暗电流噪声。从透射率曲线在截止区接近 0% 的表现看，系统的背景抑制效果良好。
光谱波动：在 200 nm 附近和 800 nm 边缘处，透射率曲线出现细微毛刺，这是由于光源在边缘波段能量较弱，导致信噪比下降引起的数值波动。

7.4 结论

实验结果图直观地展示了不同光源的本质区别。通过对汞黄色双线的分辨以及对滤光片透射率的准确提取，验证了光纤光谱仪在光谱分析、波长定标及物质吸收特性研究中的可靠性。

posted @ 2026-04-23 19:54 菜鸡白板阅读(91) 评论(0) 收藏举报

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