祥子 2010/12/03
系统的写一下今天的实验。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032000_264249_1786353_3.gif[/img] 图1 1. 仪器:上海精科UV754N,如图1. 2.仪器技术指标,如下图 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032001_264250_1786353_3.gif[/img] 3.如下图进行观察,单色光波长选择580nm的黄光。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032003_264251_1786353_3.gif[/img] 说明, 1)仪器的单色器的出射狭缝口处,装着一个黑色圆筒(长约5cm),上面有透镜。用一个白纸观察衍射情况。 2)单色器的入射狭缝和出射狭缝,通过测量,物理宽度是0.5mm。 3)透镜的焦距,经粗略测量是4cm。 4实验结果: 1)在观察屏在透镜的焦平面处时,观察到的矩形光斑最小,最亮;如果前后移动观察屏,矩形光斑都会变大,变暗。观察不到明显的衍射光斑。 在观察屏离透镜10cm处,上述矩形光斑,已经比较暗了,再远,就基本看不清了。这个过程也看不到衍射光斑。 2)由于单色光的波长增大,衍射条文的宽度会变大,所以,选择红光观察,结果一样。 5.实验结果分析 1)是不是单色光的光能量比较低,造成其他级次的衍射光看不到。 有这种可能,因为中央亮条纹能量占单色光的92%左右,一级亮条纹占4.5%,二级亮条纹占1.7%。。。。。。 2)有没有可能中央亮条纹和一级亮条纹重合了,以致观察不到呢。下面就这种讨论一下。 计算一下衍射光斑的宽度。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032026_264253_1786353_3.gif[/img] 上图是衍射光斑的亮条纹的线宽度的示意图。 计算公式如下: [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032026_264254_1786353_3.gif[/img] 其中,f是透镜的焦距,a是狭缝宽度,λ是波长。 在这个实验中,f = 4cm, a = 0.5mm,λ=580nm±0.2nm (计算时忽略误差),计算时,都换算成mm单位。 根据公式,计算一下中央明条纹和一级明条纹的宽度。 △x0 = (2x4x10x580x10的负6次方) / 0.5 = 0.1mm 即使测量透镜焦距时(就是前后移动观察屏,来观察光斑的大小,最小时,透镜到观察屏的距离就是焦距),有1cm的误差,焦距为3cm和5cm时的,中央亮条纹宽度分别为:0.07mm和0.12mm。 可是,我用游标卡尺,实际测量观察屏上观察到的矩形光斑的宽度为0.8mm。 计算是0.1mm,怎么实际测量是0.8mm呢,如果包含一级亮条纹,那是0.1+ 0.05*2 = 0.2mm(两个一级亮条纹宽度是0.05mm),也相差好多。 疑问: 这个公式会不会错呢。 因为衍射分为菲涅尔衍射和夫琅和费衍射。上面亮条纹宽度公式是夫琅和费的公式。当狭缝和观察屏的距离大于5m时,是夫琅和费衍射。小于的,都是菲涅尔衍射。教材一般说,由于菲涅尔衍射计算公式涉及较多数学推算,都从略了。 不过,看到上面的计算公式时,举的例子,透镜的焦距是40cm的,也是按这个公式计算的......... 展望: 那分光光度计到底存在衍射吗?会不会对测量结果有影响呢? 衍射存在的话,会对仪器的哪项指标产生影响呢? [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032001_264250_1786353_3.gif[/img] 最大可能是杂散光。 在2007版的紫外可见分光光度检定规程中,有杂散光的要求: [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032059_264261_1786353_3.gif[/img] 杂散光只检测220nm,360nm,420nm波长处的。 而另一个事实是,随着波长的变短,衍射的亮条纹的线宽度会变的更窄。那就是说,如果单纯考虑衍射引起的杂散光,那500nm以上的单色光的影响更大,那为什么不检测500nm以上的杂散光呢。 难道衍射的次级亮条纹引起的散射,在短波长处的影响大于长波长处的 ? 我们假设,500nm以上,一次亮条纹4.5%入射光能量去散射。500nm以下,二级亮条纹1.7%入射光能量去产生散射。 散射按散射粒子的大小分为瑞利散射和米氏散射。 粒子线度在1/5~1/10光波波长下的,叫瑞利散射,即散射体比光波波长小。 线度和光波波长同数量级的是米氏散射。 瑞利散射:散射光强度与入射光波长的[b]四次方成[color=#f10b00]反比[/color]。[/b]有介绍说瑞利散射线的强度只有入射光强度的10-3次。 米氏散射:米氏散射其实是大粒子散射的一种特殊情况,米氏散射是对球形导电粒子的散射,但大粒子散射理论,还不完善。米氏散射时,散射光强与波长的关系不显著。 这么说来,假设是瑞利散射。因为米氏散射跟波长关系不大。 根据以上所述,我们做些假设,考虑580nm和420nm情况: A. 580nm,一次亮条纹4.5%入射光能量去散射。420nm,二级亮条纹1.7%入射光能量去产生散射。 B.散射线的强度只有入射光强度的10-3次;散射光强度与入射光波长的[b]四次方成[color=#f10b00]反比;[color=#000000] (580/420)的4次方[/color][/color][/b]=3.6,就是420nm的散射光是580nm的3.6倍。 C.580nm和420nm的能量比,根据以前anping老师发的一个钨灯能量扫描图,如下图,假设580nm能量100%,那420nm就是60%。 [img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2010/12/201012032154_264272_1786353_3.gif[/img] D.杂散光是完全由散射引起的。 现在计算下580nm和420nm处杂散光能量 580nm杂散光能量:100%×4.5%×(10-3次)= 0.000045 420nm杂散光能量:60%*1.7%×3.6×(10-3)=0.00003672 420nm处的杂散光和580nm处的杂散光 。比值为1:1.2,是580nm处的杂散光大。 不过,如果我们最初假设,580nm和420nm 使用相同级次亮条纹散射,比如4.5%能量去散射。那420nm和580nm比值是 [60%*4.5%×3.6×(10-3)]/[100%×4.5%×(10-3次)] = 2:1. 420nm的杂散光是580nm处的2倍。 只要是相同级次的亮斑,都是这个比值。 另外,假设,调百时,是用的衍射的中央亮条纹,杂散光是由中央亮条纹和其他几次亮条纹产生的。看看最后计算的杂散光多大。 就是: 100%×(10-3次方)/92% = 0.1%。 那么,如果这个计算是正确的,仪器检定时,最后测试的杂散光是0.1%。 当然,这个计算结果,是基于上面所有的假设。 .................... 呵呵,总算给tutm老师交了个作业。
祥子
第3楼2010/12/02
tutm老师,因为衍射还跟光源波长和狭缝宽度之间的大小有关。
如果,狭缝宽度远远大于单色光的波长的话,那衍射不显著,可以简化为光的直线传播。
具体大小关系,再查一下。
您的激光笔的波长是多少呢?如果,做两个缝的话,用激光笔能不能观察到干涉呢?
见到的杂散光产生的原因中,很少见到提衍射的,也许是编写者怕这样的术语让普通用户不知所以。不过,仪器设计者,肯定会极力避免衍射的出现的。
想到一个例子,是手机电路板上的射频部分。手机电路板上的射频部分,都是用一个铁壳盖住元器件的,防止电磁干扰。实际情况是,那些铁壳上都有非常多的小孔,印象中直径大概有1~2mm,小孔之间的距离大概5mm,排满了铁壳表面。,我当时挺纳闷,这样不会泄漏辐射吗?
当时也没问RF工程师,看信号完整性书,给自己的一个解释是,辐射波长远大于小孔直径,所以泄漏小,忽略为辐射被完全屏蔽掉了。至少EMC测试能过。
现在想想,也许存在衍射,但是RF辐射频率成份比较复杂,可能影响就更小了。
tutm
第4楼2010/12/02
你说得有道理。我试过,我用的红色激光笔,波长650nm;绿色激光笔,波长523nm。1mm宽度基本上都看不出衍射斑,0.5mm可以看出非常细密的衍射斑(相当漂亮,可惜手抖得不听使唤了,拍不清楚),0.3mm就非常清晰了(就是上面的图片)。这个单缝衍射的结果,光斑间距离与波长、狭缝宽度、狭缝与屏幕距离有关。双缝干涉做起来有点麻烦,而且与分光光度计也没啥关系,我没试过。
我想这个距离上能看到的衍射光这样强,应该对仪器性能有影响了。曾看到一个资料说,圆孔衍射,中心亮斑的光能量理论上只有84%左右,那还有16%能量都在衍射区域里了,收集/屏蔽这部分光能,不让这些衍射光对测试造成影响,就会变得十分重要了。
手机用的是分米级波长,可能是2-4分米左右,那些小孔应该还是能起屏蔽作用的。
祥子
第7楼2010/12/02
tutm老师的这个问题真是个好问题。
tutm老师,你的衍射图,中央亮斑的宽度有多少呢?
看到一篇文章的标题“ 一种基于MEMS微硅多狭缝分光光度计”
其实,以前看到过一个迷你型分光光度计,记得它的物理狭缝宽度是um级的,当时就想是用MEMS技术用硅光刻的。
所以,分光光度计应该是会产生衍射的。至少微分光光度计是没得跑了。
就像tutm老师说的,中央亮条纹的能量占据84%,所以,只要能及时把其他的亮条“吸收”掉,问题也是可以解决的。
吸收也比较容易,只要计算好结构尺寸,让单色器的“黑皮肤”吸收就行了。
呵呵,其实这也是猜想。
实际是,因为经常检查光路,所以要看样品室中的光斑,但是还从来没在样品室的光窗出口,看到过像tutm老师给的这样的衍射光斑,或者其他级次的亮斑的能量过低?
据查,夫琅和费单缝衍射其他级次光斑的能量分布为:
一级:4.72%;二级:1.65%;三级:0.8%;四级:0.5%
就是说中央亮斑的能量占据大约92%的能量(tutm老师给的中央亮条文占84%的能量,是圆孔衍射的情况)。
5%左右的一级光斑看不到,也可能,不过要转换为杂散光呢,因为样品室也是黑色皮肤,所以,很有可能吸收一大部分。
.............
太复杂了,死了一亿个脑细胞,头疼。
呵呵,唯一的建议是,tutm老师,拆一个分光光度计,关掉仪器,在单色器中的出射狭缝前方上激光笔,看样品室中能观察到衍射光斑吗?....
或者,在光源处替换。然后调节波长到激光笔的波长。
tutm
第8楼2010/12/02
中央亮斑的宽度在10cm距离上大约1mm;30cm距离,约3mm,这时3级光斑离中心点约10mm,眼睛能看到的大约有7-8级光斑。
我想3级以上的光能量可能打在边框上,眼睛又看不到,这样比色皿架子的位置如果稍有移动,即定位重复性不好的话,测得的结果可能就会变化。
拆一台721可能不行,它的狭缝比较宽,要试狭缝窄的,因为狭缝越小,衍射斑角度越大,最好是可调带宽的,而且光路要长一些的。
看来得把我们日立U3310拆了,如果装不上了,可要请你们两位专家来给装回去啦,哈哈。
祥子
第9楼2010/12/02
10cm距离1mm。那基本是正确的。因为我看衍射的实验例子,给的是0.8mm,条件有些差异,不过1mm应该没问题。
tutm老师,在光源处,灭了钨灯,改为激光笔也行。调波长为激光笔的波长处就行。不过开机自检的仪器,只有仪器自检过了,不关机,弄灭钨灯,换激光笔了,不然,关着机,没法调波长了。
你的721是棱镜的吗,最好用光栅的仪器。
日立的,那就只有找anping老师了。
我记得,以前tutm老师说过很多仪器内部啊,动手能力很强的。