童玉龍

（沈陽師范大學(xué)，遼寧 沈陽 110034）

0 背景

隨著社會的不斷進(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、半導(dǎo)體方面都有廣泛應(yīng)用。而在大學(xué)理工科實(shí)驗課程中的光學(xué)實(shí)驗中，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)驗操作的問題，基于大學(xué)理工科光學(xué)實(shí)驗中教學(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)知識和大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗相結(jié)合，解決實(shí)驗室儀器短缺的問題，并降低實(shí)驗理解難度，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)驗探究。所以我們嘗試了這樣一個創(chuàng)新性實(shí)驗項目設(shè)計，選擇對于物理光學(xué)實(shí)驗應(yīng)用的光譜儀進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。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)驗室等學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗的領(lǐng)域。該作品創(chuàng)新在于對光譜儀原理在教學(xué)方面的實(shí)際應(yīng)用，在成分檢測方面操作簡單，易于理解。該儀器做到了靈活變通，在大學(xué)實(shí)驗室中更加方便，有利于學(xué)生在實(shí)驗中進(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。因為光柵上每毫米就刻劃了超過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,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)驗采取全息光柵[1]。

如圖1 和圖2 所示，如果在實(shí)驗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為光譜線級數(shù)；?k為k級明條紋的衍射角；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)驗所測數(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)驗時計算得到了衍射角?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算出光柵常量d。所以通過該公式便可以在實(shí)驗中完成基本的d 或者λ的測算，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譜線。而在零級譜線兩側(cè)分布著對稱的k級譜線，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，對光路進(jìn)行重新設(shè)計，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，使光信號在空間上可以按照波長分散成為多條光束?？梢宰龅皆趯?shí)驗時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，其中每個像點(diǎn)都會對應(yīng)一個特定的波長。探測器陣列：放置于焦平面，用于測量各波長像點(diǎn)的光強(qiáng)度。該探測器陣列可以是CCD 陣列[3]。

圖3 光路設(shè)計平面圖

傳統(tǒng)的分光計和光柵的調(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轉(zhuǎn)軸正交并通過圓形載物臺上螺絲調(diào)準(zhǔn)使光柵平面與分光計轉(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)驗數(shù)據(jù)公差增加，加之器材的價格過高且容易造成損壞。所以該儀器采用自準(zhǔn)直法對光路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使整個實(shí)驗裝置處于共軸狀態(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)于汞光源上下對稱，則在豎直方向上垂直。利用同樣的光路的反射原理對實(shí)驗裝置左右進(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稱，則光路實(shí)驗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，確定了基本的研究方向。在各個資源網(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，充分展開教學(xué)設(shè)計，把知識點(diǎn)通過實(shí)驗進(jìn)行聯(lián)系，更具體更形象地制定了教學(xué)設(shè)計模型。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，并對設(shè)計原理進(jìn)行精化，更加完善了設(shè)計原理。最終，定下教學(xué)般光譜儀的設(shè)計圖紙和研究原理。并將其組裝設(shè)計完成為圖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)驗結(jié)果，更加直觀簡潔。

圖4 實(shí)驗儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計立體圖

2 實(shí)驗階段

2.1 測定光柵常量d

使用圖5 儀器觀察光柵光譜中的各條譜線，選擇觀察對應(yīng)于k=±1 級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通過公式從而計算出衍射角，重復(fù)多次實(shí)驗后計算衍射角的平均值，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 測定光波波長

接下來使用圖5 儀器測定光波波長，選擇儀器中汞燈光譜中的藍(lán)色以及其他顏色譜線進(jìn)行測量，得到對應(yīng)于k=±1級譜線的衍射角?k，重復(fù)測量多次后并計算平均值，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)驗裝置圖與實(shí)驗效果圖

2.3 測量光柵的角色散

選擇汞燈作為實(shí)驗光源，測量其1 級和2 級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)驗所使用的汞燈光譜為2.06nm，結(jié)合所測得兩級衍射角?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)驗結(jié)果驗證該創(chuàng)新教學(xué)光譜儀制作成功。該實(shí)驗儀器初衷不僅僅是制作一個創(chuàng)新的光譜實(shí)驗儀，而且要在簡化教學(xué)儀器的角度上對傳統(tǒng)光譜儀工作結(jié)構(gòu)和工作方式、光路設(shè)計等方面進(jìn)行一定程度的創(chuàng)新，對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)計正確，也少不了一系列的實(shí)踐操作研究，所以同時工作人員通過以上光柵波長、光柵常量、角色散的測量實(shí)驗驗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)驗課程的要求。并且在光學(xué)實(shí)驗學(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)驗中所存在的實(shí)驗煩瑣，學(xué)生難以理解影響正常實(shí)驗的問題，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。