主题：【讨论】分光光度计入射狭缝的衍射对仪器性能有影响吗？

tutm老师，我准备直接观察一下分光光度计出射的单色光的衍射情况了。

仪器：上海精科 UV754N。

目前测试了单色器的狭缝的物理宽度：入射狭缝，出射狭缝的物理宽度都是0.5mm（不是光谱带宽，光谱带宽单位是nm）。

工具：精度为0.02mm的游标卡尺。游标的第25根线与主尺对齐，所以是0.02X25 = 0.5mm.

实验方法：用游标卡尺的那两个爪子之间的缝隙挡住单色器的外部出射狭缝口来改变出射狭缝的物理尺寸。

实验初步结果：

1. 直接观察出射狭缝出射光斑-------只看到矩形光斑，看不到衍射光斑。

2.用游标卡尺的缝隙挡住出射狭缝

游标卡尺缝隙间距：0.1mm。观察到的矩形光斑宽度变小，仍然观察不到衍射光斑。

原文由 祥子(nemoium) 发表:
tutm老师，我准备直接观察一下分光光度计出射的单色光的衍射情况了。

仪器：上海精科 UV754N。

目前测试了单色器的狭缝的物理宽度：入射狭缝，出射狭缝的物理宽度都是0.5mm（不是光谱带宽，光谱带宽单位是nm）。

工具：精度为0.02mm的游标卡尺。游标的第25根线与主尺对齐，所以是0.02X25 = 0.5mm.

实验方法：用游标卡尺的那两个爪子之间的缝隙挡住单色器的外部出射狭缝口来改变出射狭缝的物理尺寸。

实验初步结果：

1. 直接观察出射狭缝出射光斑-------只看到矩形光斑，看不到衍射光斑。

2.用游标卡尺的缝隙挡住出射狭缝

游标卡尺缝隙间距：0.1mm。观察到的矩形光斑宽度变小，仍然观察不到衍射光斑。

0.5mm狭缝，投射距离近了，衍射斑分离不开很难看清的，0.1-0.2mm应该可以。

现在看不到的情况有两个可能存在的问题；第一是光太弱，一级光斑只有4.7%能量的话，估计看不出来，因为分光光度计的投射距离有限，衍射斑比较密集，分离距离不大，不容易看出来。第二，狭缝材料要越薄越好，厚度与狭缝相比最好是1:1以下，不然衍射斑分离会较差，游标卡尺应该太厚了些。

tutm老师总能找到一些很有趣的话题。让我先简单的初步想一下：
UV-Vis仪器实际使用的都是扩展光源（可以理解成面光源，也就是不是点光源），所以在光进入单色器入射狭缝之前需要有光汇聚的环节（一般使用球面镜），让光源的像成在狭缝处。由于该会聚光显然不是平行光，所以不满足干涉的条件。而对衍射而言，由于一般的狭缝实际物理宽度在0.1~1mm左右，也就是100000~1000000nm，按理说是远大于UV-Vis仪器中所研究的光的波长200~1000nm，此时衍射作用不会太明显。至于tutm老师看到的衍射图案，我估计是由于自制狭缝过于“粗糙”所致，您量得的0.5mm，由于纸剪裁后形成的毛边，可能实际宽度会远小于0.5mm，造成接近满足衍射条件。
而且，一个设计良好的光谱仪，光源像在狭缝处相当于一个窄长的“矩形”光源（长度方向与实际灯丝长度方向匹配），并且其发射角基本相当于狭缝和第一准直镜所成的空间锥体的立体角，换句话说，光是发散的打到第一准直镜的，使得即使有类似“衍射”的横向展宽，也被淹没在第一准直镜上的相对狭缝面积大的多的明亮光斑中。

系统的写一下今天的实验。


                                            图1

1. 仪器：上海精科UV754N，如图1.

2.仪器技术指标，如下图


3.如下图进行观察，单色光波长选择580nm的黄光。



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。



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：



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？



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：



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四次方成反比。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四次方成反比;
(580/420)的4次方=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%。



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。

原文由 zwyu(zwyu) 发表:
tutm老师总能找到一些很有趣的话题。让我先简单的初步想一下：
UV-Vis仪器实际使用的都是扩展光源（可以理解成面光源，也就是不是点光源），所以在光进入单色器入射狭缝之前需要有光汇聚的环节（一般使用球面镜），让光源的像成在狭缝处。由于该会聚光显然不是平行光，所以不满足干涉的条件。而对衍射而言，由于一般的狭缝实际物理宽度在0.1~1mm左右，也就是100000~1000000nm，按理说是远大于UV-Vis仪器中所研究的光的波长200~1000nm，此时衍射作用不会太明显。至于tutm老师看到的衍射图案，我估计是由于自制狭缝过于“粗糙”所致，您量得的0.5mm，由于纸剪裁后形成的毛边，可能实际宽度会远小于0.5mm，造成接近满足衍射条件。
而且，一个设计良好的光谱仪，光源像在狭缝处相当于一个窄长的“矩形”光源（长度方向与实际灯丝长度方向匹配），并且其发射角基本相当于狭缝和第一准直镜所成的空间锥体的立体角，换句话说，光是发散的打到第一准直镜的，使得即使有类似“衍射”的横向展宽，也被淹没在第一准直镜上的相对狭缝面积大的多的明亮光斑中。

谢谢zwyu很专业的意见。
虽然进入狭缝的是一种扩展光束，但扩展角应该是非常小的，而且即使光束不是理想的平行光，但也会有衍射呀（菲涅尔衍射，看来的，并不太懂）。在普通物理的光学实验课上，使用氦氖激光器（红光），0.5mm的单缝已能产生非常好的衍射条纹（斑），0.2mm单缝会显示极好的衍射教学影像，当然激光应该比分光光度计中的单色光更纯，衍射后斑纹效果更好些。

衍射斑是不是会被光束扩展“淹没”，我看要视狭缝的物理宽度，宽度大时可能被淹没；宽度0.3mm以下，比如你说的0.1mm可能就不会被淹没了，因为狭缝越窄，衍射光斑偏转角度越大的。

我自剪的狭缝不是很好，宽度也是估计的，但是不会“远小于”我估计的尺寸，我扫描了一下，自制的简易玩意儿，上面的文字也许可以对比一下：
从左到右：1mm，0.5mm，0.2-0.3mm，都是大约的尺寸

面光源？

今天倒是看到一个类似说影响的。

不过现在忘了啥状况了。脑细胞已经死光！现在晕了。

原文由 zwyu(zwyu) 发表:
而对衍射而言，由于一般的狭缝实际物理宽度在0.1~1mm左右，也就是100000~1000000nm，按理说是远大于UV-Vis仪器中所研究的光的波长200~1000nm，此时衍射作用不会太明显。。

不一定。其实这个，我也怀疑过。

具体大小关系，我倒是找到一个，但是有限制条件。

具体是，当衍射角不大时，对于夫琅和费衍射，狭缝宽度a=100λ时,光可以被看成直线传播，a=10λ时，衍射开始显著。

不过这个限制条件，比较麻烦。

最简单的就是看实验。

看单缝衍射的实验，就算例题，一般都是用的546nm，这些可见波段，而狭缝的宽度，一般也是0.3mm,0,5mm

这样，算算肯定不满大小关系。可实际是衍射明显。

好样的，祥子！如果做研究，一定会是很强的，因为有“努力+好奇”。

我是没有透镜看到的图像，仪器上的这个透镜会不会又将展开的光斑又会聚到一起了？也许这就是仪器设计时考虑到了？

下面的杂散光，原来的检测原理我不是很清楚，因此计算过程不太看得懂，你的结果是不是如果将一级光斑全部算进去，算出来的杂散光是0.1%？这与仪器的指标相比，是不是可以忽略？

原文由 祥子(nemoium) 发表:
面光源？

今天倒是看到一个类似说影响的。

不过现在忘了啥状况了。脑细胞已经死光！现在晕了。

不好意思啊！又让你耗费了许多脑细胞。

衍射光栅出来，照到狭缝上的光应该是一条光谱带了，对狭缝来说不能算面光源了吧？

原文由 tutm(tutm) 发表:
好样的，祥子！如果做研究，一定会是很强的，因为有“努力+好奇”。

我是没有透镜看到的图像，仪器上的这个透镜会不会又将展开的光斑又会聚到一起了？也许这就是仪器设计时考虑到了？

下面的杂散光，原来的检测原理我不是很清楚，因此计算过程不太看得懂，你的结果是不是如果将一级光斑全部算进去，算出来的杂散光是0.1%？这与仪器的指标相比，是不是可以忽略？

恩，杂散光检测我专门查了。

其实和测样品的透光率差不多。比如测220nm处的杂散光，就是比色皿中，放入不透光的物质，比如NaI等滤光片或溶液吧。

忽略检测部分的暗电流，或者扣除，现在测出来的就是杂散光了。

所以，如果衍射有影响，会体现在杂散光指标中的。

另外，测试时，也要检测比色皿架的各个槽位透过率的差异。看xx.x%的值，一般0.x%都不会变，这样吸光度误差也满足要求的。

在每一个槽位，还要测透过率稳定性。

不过，现在，更多的感觉是不满足衍射条件。

说一个，用UV754N,在看样品室中光斑时，看到的一个现象吧。

就是光斑上有个头发丝那样的竖着的阴影。阴影的边缘还非常的清晰。

其实，这个阴影，是光源室中滤光片之间的缝隙。

就是光的路径是：钨灯----滤光片----反光镜----单色器入射狭缝。

滤光片是由许多不同颜色的滤光小片粘结起来的。

但看滤光片上的那些缝隙，其实也就0.1mm........

那个阴影边缘非常清晰，如果衍射的话，有可能会阴影的边缘模糊了。

那光栅的衍射，会不会对滤光片缝隙的像有影响.................

理论上说不清楚。但实验结果，貌似没影响。

其实，在摄像器材，也有个分辨率指标的，就是两个距离非常近的点，能不能看清。

分辨率指标主要是受衍射或者干涉这些光的波动性的影响。

如果能看清那两个点，其实，两个点发出的光可以简单的用光的直线传播来处理，就是几何光学的那些东西了。

总之，目前看到的现象，我觉得，除了光栅，其他的都是用几何光学来处理的，或者可以近似这么来做。

另外，狭缝后面的透镜，在许多实验的例子中，都是有的。

那是不是有了透镜，就是夫琅和费衍射了。反正，他们这么做实验，就是这么认为了。

另外，是不是色散的光谱对于狭缝的位置，角度，宽度不满足衍射，也值得怀疑吧。

对于菲涅尔衍射，书上说的一般都比较少，而且没什么鲜活的例子。