如何让光学教学更直观、更深入？OMTOOLS全新推出的CT光谱仪扫描教学实验装置，基于Czerny-Turner（CT）光学架构设计，装置采用模块化、开放式结构，便于学生动手搭建与调试光路，深入理解CT光谱仪的结构原理、工作机理及实际应用。

CT光谱仪扫描教学实验

实验原理

CT光谱仪扫描教学实验装置其光路如图1所示，它由两个相同的反射镜、闪耀光栅、两个同轴机械狭缝和光幕组成。其中第一反射镜和第二反射镜为凹面反射镜，其中第一反射镜中心和第一狭缝中心共轴，第二反射镜中心和第二狭缝中心共轴。

图1 CT光谱仪扫描系统图

光路路径

入射第一狭缝的光线，经第一反射镜准直后投射至闪耀光栅；随后第二反射镜将光栅产生的目标衍射级次，精准聚焦于出射第二狭缝。本装置的光路设计中，第二狭缝精准处于第二反射镜的焦平面处，仅允许特定波长范围的光线通过，且第二狭缝后方配套设置光幕。当逐级旋转闪耀光栅角度时，第二狭缝会同步出射不同波长的光线，对应的各色光便可清晰呈现在光幕上。

图2 不同波长的颜色光

闪耀波长

不同闪耀光栅对应不同闪耀角，对应的闪耀波长也不同，闪耀波长具有最高衍射效率。当光垂直入射光栅面时，衍射角与闪耀角重合的波长即为该光栅的闪耀波长；此波长经第二反射镜汇聚至第二狭缝后，后端光幕可清晰呈现对应波长的特征颜色。当光栅按照一定角度偏转后，闪耀波长也随之发生变化。

图3 a)光在反射光栅上的衍射现象；b)符号标注规范为角度，黑色虚线表示光栅法线

如图3a所示，假设第一狭缝产生的波长为λ的光线，以入射光线与光栅法线之间的任意夹角α入射到间距为d的光栅上；经一级衍射后，光线以法线与衍射光线之间的夹角β从光栅出射。在以下推导过程中，当入射光相对于光栅法线呈逆时针方向时，α被定义为负值，出射光束同样遵循此定义，上述符号约定详见图3b示意。入射光与出射光之间的角度θ则定义为：

𝜃=𝛽−α

在此条件下,当相邻光栅线反射的两束光的光程差等于kλ时，在衍射级次k处将产生建构性干涉。从图4可以看出，以下情况均满足该条件：

kλ=sinβ·d+sinα·d

𝑘∙𝜆∙𝑔= sin(𝛽) + sin(𝛼)

其中g=1/d 表示光栅槽密度；

图4 光栅衍射后的相长干涉条件

当旋转光栅时，θ保持恒定，而入射角α则会发生变化。这会导致不同波长λ通过出射狭缝，可得到旋转光栅的光栅方程：

对于如何确定入射角θ，可以采取如下方案：

首先旋转光栅，直到光栅的零级反射回到入射狭缝（见图5a。这定义了0°的入射角）；接下来，将光栅旋转至零级反射光落在出口狭缝处（见图5b）。从位置(a)到(b)所需的旋转角度，决定了位置(b)处的入射角α。对于零级光，光栅的作用相当于镜子，即反射角β等于-c 。将此代入公式得出：

图5 确定装置角度θ的两个光栅位置

a)仅显示零级反射光击中入口狭缝；b)零级反射光击中出口狭缝的情况；两个位置之间的光栅旋转角c用于计算θ。

装备亮点

★ 模块化开放式光路

采用模块化、开放式结构，支持更换不同波段光源、多槽密度光栅等器件，可灵活扩展功能，适用于基础教学、创新实验及科研全阶段需求。

★ 多学科适配

基于经典CT光学架构设计，适用于物理、化学、材料科学、生物医学工程等领域，助力培养学生交叉学科思维与综合实践能力。

★ 适配高频教学

核心器件为低功率、标品器件，实验安全性高；操作简便，适配学生高频次反复操作，贴合日常教学需求。

★稳定易维护

采用工业级简化结构设计，实验配套均为OMTOOLS高强度器件，设备稳定性强且日常维护简便。

组件清单