蘭慧

（1.江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，湖北武漢430056；

2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

Origin 在“光強(qiáng)響應(yīng)率”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用

蘭慧1，2

（1.江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，湖北武漢430056；

2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)和數(shù)據(jù)處理中，存在許多非線性函數(shù)規(guī)律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)作圖方法處理并確定函數(shù)關(guān)系較困難，數(shù)據(jù)量大、計(jì)算復(fù)雜、效率低，容易導(dǎo)致出錯(cuò)。利用Origin軟件的繪圖、線性擬合、歸一化處理、Lab Talk編程等功能處理光譜探測(cè)系統(tǒng)光強(qiáng)響應(yīng)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終得到光強(qiáng)響應(yīng)率。使用Origin軟件處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)便，結(jié)果直觀準(zhǔn)確，便于光學(xué)的理論分析與實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

Origin；線性擬合；歸一化處理；Lab Talk編程；光強(qiáng)響應(yīng)率

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)的普及，越來越多的軟件被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。其中，Origin是目前廣泛流行的科技標(biāo)準(zhǔn)作圖工具和數(shù)據(jù)分析軟件之一［1-2］。Origin軟件以其形象直觀、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)已逐漸被應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析中［3］。例如：用Origin剔除物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的異常值［4］、計(jì)算物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差［5］、進(jìn)行線性擬合、對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合［6］及尋峰分析、讀取磁滯回線的矯頑力［7］等。本文介紹了利用Origin9.1處理光強(qiáng)響應(yīng)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，繪制和分析曲線，得出具體的線性函數(shù)以及圖像關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)原理

等離子體的光譜包含了其豐富的內(nèi)部信息，等離子體演化過程是反映激光作用時(shí)間內(nèi)激光與等離子體的相互作用過程。如果實(shí)驗(yàn)過程中不對(duì)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行光譜響應(yīng)率校準(zhǔn)，測(cè)量得到的光譜數(shù)據(jù)就不能夠真實(shí)反映激光誘導(dǎo)等離子體的光譜演化。目前，光譜儀中衍射光柵在不同波長(zhǎng)存在不同的光柵效率；CCD或ICCD探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)也存在不同的光電轉(zhuǎn)換效率；光譜探測(cè)系統(tǒng)（包括等離子體輻射采集光路）中的成像系統(tǒng)也存在對(duì)不同波長(zhǎng)的透射率和反射率。這些因素都會(huì)引起光譜探測(cè)系統(tǒng)在不同的波長(zhǎng)位置存在不同的光譜強(qiáng)度響應(yīng)率。

本實(shí)驗(yàn)利用Ocean Optics公司的DH-2000-CAL氘鹵鎢組合式標(biāo)準(zhǔn)光源和標(biāo)準(zhǔn)光譜輸出曲線來校準(zhǔn)光譜探測(cè)系統(tǒng)的光強(qiáng)響應(yīng)率。光強(qiáng)響應(yīng)校準(zhǔn)的具體操作是：首先將光纖連接在標(biāo)準(zhǔn)光源的輸出端，打開標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行預(yù)熱半小時(shí)；然后選定光柵，將標(biāo)準(zhǔn)光源放置于測(cè)試激光誘導(dǎo)等離子體的等離子體發(fā)光區(qū)域，重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的光路系統(tǒng)，讓標(biāo)準(zhǔn)光源發(fā)出的光重新沿著等離子體的輻射光路進(jìn)入探測(cè)器，這樣就將整個(gè)等離子體診斷的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)都進(jìn)行了響應(yīng)率校準(zhǔn)，而不僅僅是對(duì)光譜儀和探測(cè)器進(jìn)行了響應(yīng)率校準(zhǔn)；選擇實(shí)驗(yàn)中相同參數(shù)的光譜范圍，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)光源的實(shí)驗(yàn)光譜輸出Istd，exp（λ）；最后將實(shí)驗(yàn)光譜輸出比上Ocean Optics公司提供的標(biāo)準(zhǔn)光譜輸出Istd，true（λ），便可以得到此光柵對(duì)應(yīng)的光譜范圍內(nèi)的相對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)率曲線：

同樣，如果將激光誘導(dǎo)等離子體中測(cè)得的光譜強(qiáng)度Iexp(λ)除以相對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)率G(λ)，則可以得到光強(qiáng)校準(zhǔn)后的真實(shí)光譜強(qiáng)度：

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 實(shí)驗(yàn)說明

本實(shí)驗(yàn)使用的是由SP2750光譜儀、300 grooves∕mm光柵和ICCD系統(tǒng)組成的光譜探測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)光源采用的是在530～700 nm波段的光強(qiáng)響應(yīng)率校準(zhǔn)的鹵鎢標(biāo)準(zhǔn)光源。表1為Ocean Optics公司提供的標(biāo)準(zhǔn)光譜的波長(zhǎng)與光譜強(qiáng)度對(duì)照表。

表1 標(biāo)準(zhǔn)光譜強(qiáng)度波長(zhǎng)對(duì)照表Tab.1Standard spectral intensity and wavelength

從表1可以看出，在所需要標(biāo)定的波長(zhǎng)范圍，標(biāo)準(zhǔn)理論光譜數(shù)據(jù)只有上述幾組。如果用傳統(tǒng)的作圖法將這幾組數(shù)據(jù)作為橫縱坐標(biāo)作圖，可以很明顯地看到它們并不是在一條直線上，很難分辨出哪一個(gè)點(diǎn)是異常點(diǎn)，也很難擬合出線性函數(shù)。并且在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量的波長(zhǎng)及光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于標(biāo)準(zhǔn)理論值。單純依靠最小二乘法及作圖法來確定函數(shù)關(guān)系，耗時(shí)且精度不高。因此，采用Origin9.1軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理，可大大消除求解過程中的誤差，節(jié)省時(shí)間，并可以直觀地得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.2 基于Origin9.1軟件的數(shù)據(jù)處理

采用Origin9.1對(duì)數(shù)據(jù)處理的過程如下：先對(duì)給定的標(biāo)準(zhǔn)理論數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到相關(guān)的線性表達(dá)式，由于實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的光譜及波長(zhǎng)數(shù)據(jù)劃分得很細(xì)，要得到每一個(gè)實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度值，故再將實(shí)驗(yàn)中需要用到的波長(zhǎng)代入該表達(dá)式，可推導(dǎo)出各個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)理論光譜的強(qiáng)度值。最后再調(diào)用Origin9.1自帶的Lab Talk程序窗口，輸入命令即可求得需要的光強(qiáng)響應(yīng)率函數(shù)。

2.2.1數(shù)據(jù)輸入打開Origin9.1，自動(dòng)生成一個(gè)工作表，首先將標(biāo)準(zhǔn)理論數(shù)據(jù)輸入，其中，波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)置于A（X）列中，光譜強(qiáng)度的數(shù)據(jù)置于B（Y）列中（見圖1）。

2.2.2 調(diào)用繪圖窗口選中工作表中的A（X）列和B（Y）列，然后點(diǎn)擊“Scatter”進(jìn)行繪圖（見圖1）。

圖1 原始標(biāo)準(zhǔn)理論光譜數(shù)據(jù)及曲線Fig.1 Theoretical spectral data and graph of original standard

2.2.3 數(shù)據(jù)的線性擬合點(diǎn)擊菜單“Analysis”選擇線性擬合“Fit Linear”，Origin將調(diào)用最小二乘法線性擬合工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。隨后，Graph窗口將新增一條擬合直線，同時(shí)彈出結(jié)果窗口Result Log顯示擬合的線性方程系數(shù)，由此，可以確定波長(zhǎng)從525 nm到700 nm之間的光譜強(qiáng)度方程（y=a+b*x）,如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)理論光譜線性擬合結(jié)果Fig.2 Linear fit of standard spectrum

2.2.4 Lab Talk編程重新建立一個(gè)工作表，首先，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入，將實(shí)驗(yàn)中的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)置于A（X）列中，實(shí)驗(yàn)中的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)置于B（Y）列中。右鍵點(diǎn)擊屏幕空白處，選中“Add new column”，增加一列C（Y）列，點(diǎn)擊菜單欄的“View-command window”輸入“C（Y）=a+b*A（X）”，回車后，C（Y）即為得到與實(shí)驗(yàn)波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的理論光強(qiáng)值。

2.2.5生成光強(qiáng)響應(yīng)率同2.2.4，新增一列D（Y），在“View-command window”里輸入D（Y）=B（Y）∕C（Y）命令,如圖3所示。

圖3 理論數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Worksheet of theory data and experiment data

2.2.6 歸一化處理對(duì)D（Y）進(jìn)行歸一化處理，只取D（Y）列中530 nm以后的數(shù)據(jù)，選中D（Y）這一列，右鍵選中“Normailizer”，就會(huì)在新出現(xiàn)的E（Y）列生成歸一化數(shù)據(jù)。

2.2.7 繪圖選中工作表里的A（X）、B（Y）、C（Y）、E（Y），點(diǎn)擊“Line”進(jìn)行繪圖。最后得到相對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)率曲線，如圖4所示。

圖4 光強(qiáng)響應(yīng)率曲線圖Fig.4 Graph of light intensity response rate

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示的相對(duì)光強(qiáng)響應(yīng)率曲線，由于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波長(zhǎng)在530～700 nm之間的光源輸出數(shù)據(jù)并不是平滑的一條直線，因此，得到的光強(qiáng)響應(yīng)率曲線在每個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)值也不一樣，確定了光強(qiáng)響應(yīng)率后，只需將要求解的實(shí)驗(yàn)光譜數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)響應(yīng)率代入（2）式，即可求得實(shí)驗(yàn)所要的光強(qiáng)值。

3 結(jié)語

本文介紹了Origin 9.1軟件對(duì)近代物理實(shí)驗(yàn)“光譜強(qiáng)度響應(yīng)率”的數(shù)據(jù)分析方法及步驟。利用計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、圖形繪制分析，避免了使用傳統(tǒng)方法利用手繪曲線引入的誤差；通過調(diào)用軟件自身的工具，提高了數(shù)據(jù)擬合的速度及精度，由此可見，該軟件操作簡(jiǎn)便，結(jié)果直觀準(zhǔn)確。將Origin軟件引入物理實(shí)驗(yàn)有助于提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，也有助于具有一定物理基礎(chǔ)的理工類高年級(jí)學(xué)生深人理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)涵，提高實(shí)驗(yàn)效率。

（References）

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［3］騰堅(jiān).使用Origin7.0軟件處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［J］.物理與工程，2006，16（2）：35.

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［5］李錦文，吳先球，熊建文.利用Origin軟件對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線分析的兩個(gè)實(shí)例［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2010，23（5）：74-76.

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［7］張磊，徐飛，陳玉林.Origin 7.5在夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28（4）：19-21.

（責(zé)任編輯：曾婷）

Application of Origin in Experiment Data Processing of "Light Intensity Response Rate"

LAN Hui1，2
（1.School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China；
2.Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,School of Optical and Electronic Information，
Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China）

In modern experiment teaching and data processing technology，there are many non-lin?ear function verification′s experiments.It is difficult to use the traditional method to determine the function relation with drawing process，and it leads to a large amount of calculation and poor efficien?cy，it is easy to have error.Origin software drawing，linear fitting，normalization treatment，Lab Talk programming functions have been used to deal with experimental data of light intensity response rate in spectrum detection system，and finally obtains the light intensity response rate.It is simple，accurate and directviewing to deal with data with Origin software，and it is convenient for theoretical analysis and experiment teaching of optics.

Origin；linear fitting；normalization processing；Lab Talk programming；light intensity response rate

O4-39

A

1673-0143（2014）04-0052-05

2014-06-12

蘭慧（1982—），女，講師，博士生，研究方向：激光與THz技術(shù)。