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光譜儀是指利用折射或衍射產(chǎn)生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量中的儀器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由入射狹縫S1、準直球面反射鏡M1、光柵G、聚焦球面反射鏡M2以及輸出狹縫S2構(gòu)成。

衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件。它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面（可以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射試驗射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通?？叹€密度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。入射光經(jīng)光柵衍射后，相鄰刻線產(chǎn)生的光程差  ， 為入射角， 為衍射角，則可導出光柵方程：

光柵方程將某波長的衍射角和入射角通過光柵常數(shù)d聯(lián)系起來， 為入射光波長，m為衍射級次，取 等整數(shù)。式中的“ ”號選取規(guī)則為：入射角和衍射角在光柵法線的同側(cè)時取正號，在法線兩側(cè)時取負號。如果入射光為正入射 ，光柵方程變?yōu)?span> 。衍射角度隨波長的變化關(guān)系，稱為光柵的角色散特性，當入射角給定時，可以由光柵方程導出復色入射光進入狹縫S1后，經(jīng)M2變成復色平行光照射到光柵G上，經(jīng)光柵色散后，形成不同波長的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2將照射到它上面的某一波長的光聚焦在出射狹縫S2上，再由S2后面的電光探測器記錄該波長的光強度。光柵G安裝在一個轉(zhuǎn)臺上，當光柵旋轉(zhuǎn)時，就將不同波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上，光電探測器記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波長）時的輸出光信號強度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進行記錄，稱為光柵單色儀。

在使用單色儀時，對波長進行掃描是通過旋轉(zhuǎn)光柵來實現(xiàn)的。通過光柵方程可以給出出射波長和光柵角度之間的關(guān)系（如圖2所示）

光譜儀是指利用折射或衍射產(chǎn)生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量中的儀器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由入射狹縫S1、準直球面反射鏡M1、光柵G、聚焦球面反射鏡M2以及輸出狹縫S2構(gòu)成。

一、光學系統(tǒng)

光譜儀光學系統(tǒng)，如圖1所示：M1準光鏡、M2物鏡、M3轉(zhuǎn)鏡、G平面衍射光柵、S1入射狹縫、通過旋轉(zhuǎn)M3選擇出射狹縫S2或S3從而選擇接收器件類型，出射狹縫為S2則為光電倍增管或硫化鉛、鉭酸鋰、TGS等接收器件；出射狹縫為S3則為CCD接受器件。入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0~2mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進入入射狹縫S1，S1位于反射式準光鏡M2的焦面上，通過S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M2成像在S2上，或經(jīng)物鏡M2和M3平面成像在S3上。

光源系統(tǒng)為儀器提供工作光源，可選氘燈、鎢燈、鈉燈、汞燈等各種光源。

二、電子系統(tǒng)

電子系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光源系統(tǒng)等部分組成。

電源系統(tǒng)為儀器提供所需的工作電壓；接受系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號放大器系統(tǒng)包括前置放大器和放大器兩個部分；A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便計算機進行處理。

三、軟件系統(tǒng)

WDS系列多功能光柵光譜儀的控制和光譜數(shù)據(jù)處理操作均由計算機來完成。

軟件系統(tǒng)主要功能有：儀器系統(tǒng)復位、光譜掃描、各種動作控制、測量參數(shù)設(shè)置、光譜采集、光譜數(shù)據(jù)文件管理、光譜數(shù)據(jù)的計算等。

WDS系列多功能光柵光譜儀器系統(tǒng)操作軟件根據(jù)型號不同和接收儀器不的同配有PMT操作系統(tǒng)和CCD操作系統(tǒng)。每一系統(tǒng)均可采用快捷鍵和下拉菜單來進行儀器操作，下面分別進行說明。

3.1PMT操作系統(tǒng)

3.1.1 開機與系統(tǒng)復位

確認光柵光譜儀已經(jīng)正確連接并打開電源。

在WONDOWS操作系統(tǒng)中，從“開始”——“程序”——“WDS系列光柵光譜儀”中執(zhí)行相應的PMT可執(zhí)行程序，或雙擊桌面上的快捷方式，啟動系統(tǒng)操作程序。

在系統(tǒng)初始化過程后應有波長復位正確的提示，然后按“確定”進入系統(tǒng)操作主界面。

3.1.2菜單欄的使用

系統(tǒng)菜單欄包括文件、測量方式、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)操作和幫助五項內(nèi)容。

3.1.2.1文件

文件菜單中包括新建、打開、存盤、參數(shù)設(shè)置、打印和退出系統(tǒng)等項。其中，新建，即清除當前圖譜文件并重新建立一個圖譜文件。

打開，即打開已存圖譜文件，可根據(jù)系統(tǒng)提示選擇文件所在路徑。

存盤，即保存當前圖譜文件，可根據(jù)系統(tǒng)提示選擇文件保存路徑。

參數(shù)設(shè)置，即根據(jù)測量需對系統(tǒng)參數(shù)進行相應的參數(shù)設(shè)置。

在測量模式一欄中，可選擇能量或透過率測量，并在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，對起始刻度和終止刻度進行設(shè)置。能量（０~4095），透過率（0~100）。

在掃描速度一欄中，可對掃描記錄數(shù)據(jù)的速度進行相應的設(shè)置，當樣品未知時，一般可選擇快速或中速，對于不同的儀器型號會稍有所不同。

在掃描方式一欄中，可選擇測量為連續(xù)方式或重復方式，或在當前波長對時間進行記錄。

在波長范圍一欄中，可根據(jù)需要在系統(tǒng)允許的波長范圍內(nèi)對其進行相應的設(shè)置。系統(tǒng)允許的波長范圍根據(jù)儀器型號的不同有所不同。

在光譜帶寬一欄中，系統(tǒng)設(shè)置為手動，即根據(jù)測量需要對出射、入射狹縫寬度進行相應的設(shè)置。

系統(tǒng)默認增益為1，若信號較弱，可適當選擇增益（1~4）。

打印，即根據(jù)提示對話框，打印當前圖譜。

退出系統(tǒng)，當結(jié)束系統(tǒng)測量，選擇此項，根據(jù)提示退出光柵光譜儀操作系統(tǒng)。

3.1.2.2  測量方式

測量方式菜單中包括光譜掃描、基線掃描和時間掃描等項。其中，

光譜掃描，即根據(jù)當前參數(shù)設(shè)置對當前光譜進行記錄。

基線掃描，當選擇了透過率測量方式時，在光譜掃描之前首先要對系統(tǒng)進行基線掃描以記錄系統(tǒng)當前狀態(tài)，在進行基線掃描時，狀態(tài)欄顯示值一般應在0~4095之間。

時間掃描，即在當前參數(shù)設(shè)置情況下，對當前波長進行時間記錄。

3.1.2.3  數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理菜單中包括刻度擴展、局部放大、峰值檢索、峰值顯示、讀取數(shù)據(jù)、光譜平滑、光譜微分和光譜運算等項。其中，

刻度擴展，指對當前橫、縱坐標的起始、終止刻度在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)進行相應的放大或縮小。點擊此項功能將彈出如圖6所示對話框。

局部放大，指對當前圖譜文件進行部分放大。

峰值檢索，指讀當前圖譜文件中一定范圍內(nèi)的峰值進行檢索并將結(jié)果顯示出來。點擊此項彈出如圖7所示對話框，提示輸入峰值高度，輸入峰值高度后，點擊確定即可。

讀取數(shù)據(jù)，即讀取當前圖譜的橫、縱坐標數(shù)據(jù)，可選擇列表方式或光標讀取方式。

光譜平滑，點擊此項系統(tǒng)將對當前圖譜文件進行平滑處理，以去掉噪聲或過小的峰值，來方便圖譜的讀取或辨別。

光譜微分，點擊此項功能可對當前圖譜進行一至四次微分。

光譜運算，點擊此項系統(tǒng)彈出提示對話框，提示選擇當前圖譜與任意常數(shù)的加、減、乘、除四則運算。

3.1.2.4  系統(tǒng)操作

系統(tǒng)操作菜單中主要包括波長檢索、波長校正、系統(tǒng)復位和系統(tǒng)設(shè)置等項。其中，

波長檢索，點擊此項系統(tǒng)彈出如圖8所示波長檢索對話框，提示輸入目的波長，波長范圍為系統(tǒng)允許波長范圍內(nèi)的任意波長值。

波長線性校正，當對光柵光譜議儀器系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)波長值與準確波長不對應時，可通過此項對系統(tǒng)波長進行校正，在對話框中輸入系統(tǒng)值與實際波長值的差值，點擊確定即可。

系統(tǒng)復位，當儀器在運行過程中發(fā)現(xiàn)有不正常現(xiàn)象出現(xiàn)時，可點擊此項對系統(tǒng)進行重新復位，以消除影響。

系統(tǒng)設(shè)置，即系統(tǒng)調(diào)試時用到的一些數(shù)據(jù)，用戶不可更改。

3.1.2.5  幫助

幫助菜單中提供了廠商及儀器版本信息。

3.1.3  工具欄的使用

工具欄中主要包括新建、打開、保存、打印、光譜掃描、參數(shù)設(shè)置、波長檢索、讀取數(shù)據(jù)、峰值檢索、刻度擴展、屏幕刷新和停止等項。其中，

新建、打開、保存、打印、和參數(shù)設(shè)置等項包含于菜單欄的“文件”菜單中；光譜掃描包含于菜單欄的“測量方式”菜單中；波長檢索包含于菜單欄中的“系統(tǒng)操作”菜單中；讀取數(shù)據(jù)、峰值檢索和刻度擴展包含于菜單欄中的“數(shù)據(jù)處理”菜單中。

屏幕刷新，即刷新當前圖譜屏幕顯示以清除數(shù)據(jù)標注的字符。

停止，點擊此項，系統(tǒng)將停止當前操作。

3.1.4  退出系統(tǒng)與關(guān)機

當系統(tǒng)測試結(jié)束后，將出射、入射狹縫調(diào)節(jié)至0.1mm左右，若有負高壓系統(tǒng)，則將負高壓調(diào)節(jié)至零。點擊菜單欄中“文件\退出系統(tǒng)”，按照提示關(guān)閉電源退出儀器操作系統(tǒng)。

3.2  CCD操作系統(tǒng)

3.2.1  開機于系統(tǒng)復位

確認光柵光譜儀已經(jīng)正確連接并打開電源。

在WINDOWS操作系統(tǒng)中，從“開始”——“程序”——“WDS系列光柵光譜儀”中執(zhí)行相應的CCD可執(zhí)行程序，或雙擊桌面上的快捷方式，啟動系統(tǒng)操作程序。

在系統(tǒng)初始化過程后應有波長復位正確的提示，然后按“確定”進入系統(tǒng)操作主界面。

3.2.2  菜單欄中使用

系統(tǒng)菜單欄中包括文件、采集、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)操作和幫助五項內(nèi)容。下面分別進行介紹。

3.2.2.1  文件

文件菜單中包括新建、打開、存盤、測量參數(shù)、打印和退出系統(tǒng)等項。其中，

新建，即清除當前圖譜文件并重新建立一個圖譜文件。

打開，即打開已存圖譜文件，可根據(jù)系統(tǒng)提示選擇文件所在路徑。

存盤，即保存當前圖譜文件，可根據(jù)系統(tǒng)提示選擇文件保存路徑。

測量參數(shù)，即根據(jù)測量需對系統(tǒng)參數(shù)進行相應的設(shè)置，通常情況下采取默認值即可。

打印，即根據(jù)提示對話框，打印當前圖譜。

退出系統(tǒng)，當結(jié)束系統(tǒng)測量，選擇此項，根據(jù)提示退出光柵光譜儀操作系統(tǒng)。

3.2.2.2  采集

采集菜單中包括一次采集、連續(xù)采集和門值設(shè)置等項。其中，

一次采集，即在當前中心波長對當前光譜進行一次性記錄。

連續(xù)采集，即在當前中心波長對當前光譜進行連續(xù)性記錄，時時刷新。

門值設(shè)置，系統(tǒng)默認門值設(shè)置為-1，當要去除較小的峰值時，可通過設(shè)置門值來進行限制。

3.2.2.3  數(shù)據(jù)數(shù)理

數(shù)據(jù)處理菜單中包括讀取數(shù)據(jù)、光譜平滑、峰值檢索、刻度擴展、顯示光譜參數(shù)、像元波長轉(zhuǎn)換和譜線運算等項。其中，

讀取數(shù)據(jù)，即讀取當前圖譜的橫、縱坐標數(shù)據(jù)，可選擇列表方式或光標讀取方式。

光譜平滑，點擊此項系統(tǒng)將對當前圖譜文件進行平滑處理，以去掉噪聲火過小的峰值，來方便圖譜的讀取或辨別。

峰值檢索，指讀當前圖譜文件中一定范圍內(nèi)的峰值進行檢索并將結(jié)果顯示出來。點擊此項彈出對話框，提示輸入峰值高度，輸入峰值高度后，點擊確定即可。

刻度擴展，指對當前橫、縱坐標的起始、終止刻度在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)進行相應的放大或縮小。點擊此項功能將彈出對話框。

顯示光譜參數(shù)，即顯示當前光譜的測量參數(shù)。

像元波長轉(zhuǎn)換，即選擇將系統(tǒng)操作界面的橫坐標用像元或波長的方式顯示。

譜線運算，即對當前光譜的與常數(shù)加、減、乘、除四則運算。

3.2.2.4  系統(tǒng)操作

系統(tǒng)操作菜單中主要包括檢索儀器中心波長、檢索譜線中心波長、零點波長校正、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)復位等項。其中，

檢索儀器中心波長，即將操作系統(tǒng)界面顯示的中心波長檢索至目的波長處。

檢索譜線中心波長，即若當前顯示的圖譜文件中心波長非儀器當前中心波長時，用此項功能將儀器中心波長檢索值譜線中心波長。

零點波長校正，當對光柵光譜儀器系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)波長值與準確波長不對應時，可通過此項對系統(tǒng)波長進行校正，在對話框中輸入系統(tǒng)值與實際波長值的差值，點擊確定即可。

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，即系統(tǒng)調(diào)試時用到的一些數(shù)據(jù)，用戶不可更改。

系統(tǒng)復位，當儀器在運行過程中發(fā)現(xiàn)有不正常現(xiàn)象出現(xiàn)時，可點擊此項對系統(tǒng)進行重新復位，以消除影響。

3.2.3  工具欄的使用

工具欄中主要包括新建、打開、保存、打印、波長檢索、參數(shù)設(shè)置、讀取數(shù)據(jù)、峰值檢索、刻度擴展、放大、縮小和屏幕刷新等項。其中，

新建、打開、保存、打印和參數(shù)設(shè)置等項包含于菜單欄的“文件”菜單中；波長檢索包含于菜單欄中的“系統(tǒng)操作”菜單中；讀取數(shù)據(jù)、峰值檢索和刻度擴展包含于菜單欄中的“數(shù)據(jù)處理”菜單中；一次采集和連續(xù)采集包含于“采集”菜單中。

屏幕刷新，即刷新當前圖譜屏幕顯示以清除數(shù)據(jù)標注的字符。

停止，點擊此項，系統(tǒng)將停止當前操作。

3.2.4  退出系統(tǒng)與關(guān)機

當系統(tǒng)測試結(jié)束后，將入射狹縫調(diào)節(jié)至0.1mm左右，點擊菜單欄中“文件\退出系統(tǒng)”，按照提示關(guān)閉電源退出儀器操作系統(tǒng)。

四、實驗內(nèi)容和步驟：

1、開機之前，請認真檢查光柵光譜儀的各個部分（單色儀主機、電控箱、接受單元、計算機、）連線是否正確，保證準確無誤。

為了保證儀器的性能指標和壽命，在每次使用完畢，將入射狹縫寬度、出射狹縫寬度分別調(diào)節(jié)到0.1mm左右。

在儀器系統(tǒng)復位完畢后，根據(jù)測試和實驗的要求分別調(diào)節(jié)入射狹縫寬度、出射狹縫寬度到合適的寬度。

2、接收單元

WDS系列多功能光柵光譜儀根據(jù)儀器型號的不同配有光電倍增管、CCD、硫化鉛、鉭酸鋰、TGS等不同接收單元。

注意，若采用光電倍增管作為接收單元，不一定要在光電倍增管加有負高壓的情況下，使其暴露在強光下（包括自然光）。在使用結(jié)束后，一定要注意調(diào)節(jié)負高壓旋鈕使負高壓歸零，然后再關(guān)閉電控箱。

3、狹縫調(diào)節(jié)

儀器的入射狹縫和出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0~2mm連續(xù)可調(diào)，順時針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小。每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.5mm，調(diào)節(jié)寬度為2mm。為延長使用壽命，狹縫寬度調(diào)節(jié)時應注意不要超過2mm。儀器測量完畢或平常不使用時，狹縫調(diào)節(jié)到0.1mm05mm左右。

4、電控箱的使用

電控箱包括電源、信號放大、控制系統(tǒng)和光源系統(tǒng)（氘燈和鎢燈可選件，不包括在光譜儀器的標準配置中）。在運行儀器操作軟件前一定要確認所有的連接線正確連接且已經(jīng)打開電控箱的開關(guān)。

5、程序安裝（如已安裝好，則跳過）

儀器的參數(shù)設(shè)置和測量均由計算機來完成。因此在使用前必須先安裝WDS系列多功能光柵光譜儀器中文操作軟件。

將隨儀器配備的WDS系列多功能光柵光譜儀器操作軟件系統(tǒng)安裝光盤放入光驅(qū)中，執(zhí)行其中的SETUP程序，即開始進行安裝，安裝過程大約一分鐘。

系統(tǒng)安裝結(jié)束后，將自動在WINDOWS系統(tǒng)的“開始”—“程序”中建立“WDS系列光柵光譜儀”一項。執(zhí)行其中的可執(zhí)行程序即可運行操作系統(tǒng)。

6、采用標準光譜燈進行波長校準

光柵光譜儀由于運輸過程中震動等各種原因，可能會使波長準確度產(chǎn)生偏差，因此在次使用前用已知的光譜線來校準儀器的波長準確度。在平常使用中，也應定期檢查儀器的波長準確度。

檢查儀器波長準確度可用氘燈、鈉燈（標準值為589.0nm和589.6nm）、汞燈以及其它已知光譜線的來源來進行。

6.1 用氘燈譜線校準

利用氘燈的兩根譜線的波長值（標準值為486.0nm和656.0nm）來進行校準儀器。根據(jù)能量信號大小手工調(diào)節(jié)入射狹縫和出射狹縫，掃描氘燈光譜。如果波長有偏差，用“零點波長校正”功能進行校正。

6.2 用鈉燈譜線校準

利用鈉燈的兩根譜線的波長值（標準值為589.0nm和589.6nm）來進行校準儀器。根據(jù)能量信號大小手工調(diào)節(jié)入射狹縫和出射狹縫，掃描鈉燈光譜。如果波長有偏差，用“零點波長校正”功能進行校正。

6.3 用汞燈譜線校準

利用汞燈的五根譜線的波長值（標準值為404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm）來進行校準儀器。根據(jù)能量信號大小手工調(diào)節(jié)入射狹縫和出射狹縫，掃描汞燈光譜。如果波長有偏差，用“波長線性校正”功能進行校正。

7、分別掃描不同光源的光譜

調(diào)節(jié)光源，使其在單色義的波長范圍內(nèi)有的輸出。根據(jù)測量對系統(tǒng)參數(shù)進行相應的設(shè)置。根據(jù)測量學要對出射、入射狹縫寬度進行相應的設(shè)置。按“3  軟件系統(tǒng)”進行操作。