光栅光谱仪狭缝宽度对谱线图样影响的研究

    0 引言

    光栅光谱仪是一种将复杂的光分解为光谱线的科学仪器。可以用来分辨颜色、测量溶液的浓度、测量光波波长、膜厚测量等。 这在科研、生产、质检等领域有着很大的作用。 仪器的分辨率对实验数据的测量有着很大的影响，光栅光谱仪的内在参数和仪器的精密程度在很大程度上都无法改变，为了以后同学们能够更好地使用光栅光谱仪进行其他各种实验，我进行了“入射狭缝对光谱图像的影响”的实验。该实验是通过改变入射狭缝的宽度来观察光谱图样的变化，以实现入射狭缝对光栅光谱仪分辨率的影响。而仪器说明入射狭缝在0.200mm 适合光波波长的测量，我在此基础上以 0.050mm为间隔对入射狭缝进行宽度调节，研究谱线图样变化的。

    1 入射狭缝的宽度对光谱图样的影响理论分析^[1]

    入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽度为0～2mm 连续可调。 光源发出的光束进入入射狭缝 S₁，S₁位于反射式准光镜M₂的焦面上，通过S₁射入的光束经M₂反射成平行光束投射到平面光栅G 上，光栅的刻线每 mm 为 1200 条，形成的衍射平行光束经物镜M₃成像在S₂上。 而 G 可以由电动机驱动而转动，这就形成了对光谱的扫描。 最后光电倍增管记录光的相应波长， 使我们能够从光谱中读出相应的波长。 如图 1所示当光进入S₁时，狭缝越细，进入的光就越细，当到狭缝到一定宽度时，入射光也可以被近似认为一条光线进入狭缝，这条光线经反射后被S₂接收并通过光电倍增管记录到光谱中。但光强也会随着狭缝宽度的减小而减小，让光电倍增管很难检测到光的能量，光谱图样也会不明显。当入射狭缝S₁增大的时候，光从S₁进入，光线从不同角度进入，同时进去的光线增加，光强也增加了。

    1.1 入射狭缝宽度对谱线图样的影响^[2]

    如图2 所示， 无论是什么光都能够从狭缝通过到 S₂，但由于狭缝的的大小会影响入射光的数量和能量，同时部分拥有高能量的杂光也有很大的机会进入光栅光谱仪，影响谱线图样中高峰光的数量， 使杂光的存在影响被测光的波长测定。 如图 2 所示，不管是什么光，都会在最后聚集在 S₃中，而且狭缝宽度的增加使进入狭缝的光产生干涉现象，被测光所在位置的波长段的波之间的波长差会增加。

    1.2 入射狭缝宽度对光种类的影响^[3]

    当狭缝宽度增大的时候， 进入的光束宽度也会增加，同时光的数量和能量也会增加。 同时光谱中高能量光线的数量也会随之增加，杂光能量也会同时会增加。 它们也会显示在光谱图样上，影响光线波长的正常测定。 如图 3 所示，光线的进入量会增加，最后的显示会出现杂光的谱线数量可能多于被测光线。而被测光线会因为干涉等因素的影响被相对削弱了。当入射狭缝到一定的宽度到达值时，光强就会趋于稳定，峰值数量也会趋于稳定。