Origin 在“光強響應率”實驗數(shù)據(jù)處理中的應用

蘭慧

（1.江漢大學物理與信息工程學院，湖北武漢430056；

2.華中科技大學光學與電子信息學院武漢光電國家實驗室，湖北武漢430074）

Origin 在“光強響應率”實驗數(shù)據(jù)處理中的應用

蘭慧1，2

（1.江漢大學物理與信息工程學院，湖北武漢430056；

2.華中科技大學光學與電子信息學院武漢光電國家實驗室，湖北武漢430074）

現(xiàn)代實驗教學和數(shù)據(jù)處理中，存在許多非線性函數(shù)規(guī)律的驗證實驗，傳統(tǒng)作圖方法處理并確定函數(shù)關系較困難，數(shù)據(jù)量大、計算復雜、效率低，容易導致出錯。利用Origin軟件的繪圖、線性擬合、歸一化處理、Lab Talk編程等功能處理光譜探測系統(tǒng)光強響應率實驗數(shù)據(jù)，最終得到光強響應率。使用Origin軟件處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)過程簡便，結果直觀準確，便于光學的理論分析與實驗教學。

Origin；線性擬合；歸一化處理；Lab Talk編程；光強響應率

0 引言

隨著計算機的普及，越來越多的軟件被應用到實驗教學中。其中，Origin是目前廣泛流行的科技標準作圖工具和數(shù)據(jù)分析軟件之一［1-2］。Origin軟件以其形象直觀、操作簡便等優(yōu)點已逐漸被應用于大學物理實驗數(shù)據(jù)的處理與分析中［3］。例如：用Origin剔除物理實驗數(shù)據(jù)的異常值［4］、計算物理實驗數(shù)據(jù)的平均值、標準差［5］、進行線性擬合、對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合［6］及尋峰分析、讀取磁滯回線的矯頑力［7］等。本文介紹了利用Origin9.1處理光強響應率實驗數(shù)據(jù)的方法，繪制和分析曲線，得出具體的線性函數(shù)以及圖像關系。

1 實驗原理

等離子體的光譜包含了其豐富的內(nèi)部信息，等離子體演化過程是反映激光作用時間內(nèi)激光與等離子體的相互作用過程。如果實驗過程中不對探測系統(tǒng)進行光譜響應率校準，測量得到的光譜數(shù)據(jù)就不能夠真實反映激光誘導等離子體的光譜演化。目前，光譜儀中衍射光柵在不同波長存在不同的光柵效率；CCD或ICCD探測器對不同波長也存在不同的光電轉換效率；光譜探測系統(tǒng)（包括等離子體輻射采集光路）中的成像系統(tǒng)也存在對不同波長的透射率和反射率。這些因素都會引起光譜探測系統(tǒng)在不同的波長位置存在不同的光譜強度響應率。

本實驗利用Ocean Optics公司的DH-2000-CAL氘鹵鎢組合式標準光源和標準光譜輸出曲線來校準光譜探測系統(tǒng)的光強響應率。光強響應校準的具體操作是：首先將光纖連接在標準光源的輸出端，打開標準光源進行預熱半小時；然后選定光柵，將標準光源放置于測試激光誘導等離子體的等離子體發(fā)光區(qū)域，重現(xiàn)實驗中的光路系統(tǒng)，讓標準光源發(fā)出的光重新沿著等離子體的輻射光路進入探測器，這樣就將整個等離子體診斷的實驗系統(tǒng)都進行了響應率校準，而不僅僅是對光譜儀和探測器進行了響應率校準；選擇實驗中相同參數(shù)的光譜范圍，測量標準光源的實驗光譜輸出Istd，exp（λ）；最后將實驗光譜輸出比上Ocean Optics公司提供的標準光譜輸出Istd，true（λ），便可以得到此光柵對應的光譜范圍內(nèi)的相對光強響應率曲線：

同樣，如果將激光誘導等離子體中測得的光譜強度Iexp(λ)除以相對光強響應率G(λ)，則可以得到光強校準后的真實光譜強度：

2實驗數(shù)據(jù)處理

2.1 實驗說明

本實驗使用的是由SP2750光譜儀、300 grooves∕mm光柵和ICCD系統(tǒng)組成的光譜探測系統(tǒng)，標準光源采用的是在530～700 nm波段的光強響應率校準的鹵鎢標準光源。表1為Ocean Optics公司提供的標準光譜的波長與光譜強度對照表。

表1 標準光譜強度波長對照表Tab.1Standard spectral intensity and wavelength

從表1可以看出，在所需要標定的波長范圍，標準理論光譜數(shù)據(jù)只有上述幾組。如果用傳統(tǒng)的作圖法將這幾組數(shù)據(jù)作為橫縱坐標作圖，可以很明顯地看到它們并不是在一條直線上，很難分辨出哪一個點是異常點，也很難擬合出線性函數(shù)。并且在實際的實驗中，測量的波長及光譜強度數(shù)據(jù)量遠遠多于標準理論值。單純依靠最小二乘法及作圖法來確定函數(shù)關系，耗時且精度不高。因此，采用Origin9.1軟件對數(shù)據(jù)處理，可大大消除求解過程中的誤差，節(jié)省時間，并可以直觀地得到實驗結果。

2.2 基于Origin9.1軟件的數(shù)據(jù)處理

采用Origin9.1對數(shù)據(jù)處理的過程如下：先對給定的標準理論數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到相關的線性表達式，由于實驗中測得的光譜及波長數(shù)據(jù)劃分得很細，要得到每一個實驗波長對應的光譜強度值，故再將實驗中需要用到的波長代入該表達式，可推導出各個波長對應的標準理論光譜的強度值。最后再調(diào)用Origin9.1自帶的Lab Talk程序窗口，輸入命令即可求得需要的光強響應率函數(shù)。

2.2.1數(shù)據(jù)輸入打開Origin9.1，自動生成一個工作表，首先將標準理論數(shù)據(jù)輸入，其中，波長的數(shù)據(jù)置于A（X）列中，光譜強度的數(shù)據(jù)置于B（Y）列中（見圖1）。

2.2.2 調(diào)用繪圖窗口選中工作表中的A（X）列和B（Y）列，然后點擊“Scatter”進行繪圖（見圖1）。

圖1 原始標準理論光譜數(shù)據(jù)及曲線Fig.1 Theoretical spectral data and graph of original standard

2.2.3 數(shù)據(jù)的線性擬合點擊菜單“Analysis”選擇線性擬合“Fit Linear”，Origin將調(diào)用最小二乘法線性擬合工具對數(shù)據(jù)進行擬合。隨后，Graph窗口將新增一條擬合直線，同時彈出結果窗口Result Log顯示擬合的線性方程系數(shù)，由此，可以確定波長從525 nm到700 nm之間的光譜強度方程（y=a+b*x）,如圖2所示。

圖2 標準理論光譜線性擬合結果Fig.2 Linear fit of standard spectrum

2.2.4 Lab Talk編程重新建立一個工作表，首先，將實驗數(shù)據(jù)輸入，將實驗中的波長數(shù)據(jù)置于A（X）列中，實驗中的光譜強度數(shù)據(jù)置于B（Y）列中。右鍵點擊屏幕空白處，選中“Add new column”，增加一列C（Y）列，點擊菜單欄的“View-command window”輸入“C（Y）=a+b*A（X）”，回車后，C（Y）即為得到與實驗波長相對應的理論光強值。

2.2.5生成光強響應率同2.2.4，新增一列D（Y），在“View-command window”里輸入D（Y）=B（Y）∕C（Y）命令,如圖3所示。

圖3 理論數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)Fig.3 Worksheet of theory data and experiment data

2.2.6 歸一化處理對D（Y）進行歸一化處理，只取D（Y）列中530 nm以后的數(shù)據(jù)，選中D（Y）這一列，右鍵選中“Normailizer”，就會在新出現(xiàn)的E（Y）列生成歸一化數(shù)據(jù)。

2.2.7 繪圖選中工作表里的A（X）、B（Y）、C（Y）、E（Y），點擊“Line”進行繪圖。最后得到相對光強響應率曲線，如圖4所示。

圖4 光強響應率曲線圖Fig.4 Graph of light intensity response rate

2.3 實驗結果

如圖4所示的相對光強響應率曲線，由于實驗測得的波長在530～700 nm之間的光源輸出數(shù)據(jù)并不是平滑的一條直線，因此，得到的光強響應率曲線在每個波長的數(shù)值也不一樣，確定了光強響應率后，只需將要求解的實驗光譜數(shù)據(jù)及對應的光強響應率代入（2）式，即可求得實驗所要的光強值。

3 結語

本文介紹了Origin 9.1軟件對近代物理實驗“光譜強度響應率”的數(shù)據(jù)分析方法及步驟。利用計算機專業(yè)軟件進行實驗數(shù)據(jù)處理、圖形繪制分析，避免了使用傳統(tǒng)方法利用手繪曲線引入的誤差；通過調(diào)用軟件自身的工具，提高了數(shù)據(jù)擬合的速度及精度，由此可見，該軟件操作簡便，結果直觀準確。將Origin軟件引入物理實驗有助于提高實驗結果的精確度，也有助于具有一定物理基礎的理工類高年級學生深人理解實驗內(nèi)涵，提高實驗效率。

（References）

［1］葉衛(wèi)平，方安平，于本方.Origin7.0科技繪圖及數(shù)據(jù)分析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004：1-2.

［2］肖信.Origin 8.0實用教程：科技作圖與數(shù)據(jù)分析［M］.北京：中國電力出版社，2009：2.

［3］騰堅.使用Origin7.0軟件處理物理實驗數(shù)據(jù)［J］.物理與工程，2006，16（2）：35.

［4］王德秋.普通物理實驗［M］.廣州：華南理工大學出版社，1997：179.

［5］李錦文，吳先球，熊建文.利用Origin軟件對大學物理實驗數(shù)據(jù)進行曲線分析的兩個實例［J］.大學物理實驗，2010，23（5）：74-76.

［6］王鑫，吳先球，蔣珍美，等.用Origin剔除線性擬合中實驗數(shù)據(jù)的異常值［J］.山西師范大學學報：自然科學版，2003，17（1）：45-49.

［7］張磊，徐飛，陳玉林.Origin 7.5在夫蘭克-赫茲實驗數(shù)據(jù)處理中的應用［J］.實驗室研究與探索，2009，28（4）：19-21.

（責任編輯：曾婷）

Application of Origin in Experiment Data Processing of "Light Intensity Response Rate"

LAN Hui1，2
（1.School of Physics and Information Engineering，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China；
2.Wuhan National Laboratory for Optoelectronics,School of Optical and Electronic Information，
Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，Hubei，China）

In modern experiment teaching and data processing technology，there are many non-lin?ear function verification′s experiments.It is difficult to use the traditional method to determine the function relation with drawing process，and it leads to a large amount of calculation and poor efficien?cy，it is easy to have error.Origin software drawing，linear fitting，normalization treatment，Lab Talk programming functions have been used to deal with experimental data of light intensity response rate in spectrum detection system，and finally obtains the light intensity response rate.It is simple，accurate and directviewing to deal with data with Origin software，and it is convenient for theoretical analysis and experiment teaching of optics.

Origin；linear fitting；normalization processing；Lab Talk programming；light intensity response rate

O4-39

A

1673-0143（2014）04-0052-05

2014-06-12

蘭慧（1982—），女，講師，博士生，研究方向：激光與THz技術。