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光譜儀工作的原理

日期：2013-06-05　　有689人瀏覽

光譜儀工作的原理
光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產、質控等方面都發揮著極大的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。由于現代單色儀可具有很寬的光譜范圍（UV-IR），高光譜分辨率（0.001nm），自動波長掃描，完整電腦控制功能，極易和其它周邊設備配合為高性能自動測試系統，使用電腦自動掃描多光柵光譜儀已成為光譜研究的優選。
在光譜學應用中，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。除了用單色光源（如光譜燈、激光器、發光二極管）、顏色玻璃和干涉濾光片外，大都使用掃描選擇波長的單色儀。尤其是當前更多地應用掃描光柵單色儀，在連續的寬波長范圍（白光）選出窄光譜（單色或單波長）輻射。
　　當一束復合光線進入光譜儀的入射狹縫，首先由光學準直鏡準直成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長（顏色）。利用不同波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。
光柵基礎
　　光柵作為重要的分光器件，他的選擇與性能直接影響整個系統性能。為更好協助用戶選擇，在此做一簡要介紹。
　　光柵分為刻劃光柵、復制光柵、全息光柵等。刻劃光柵是用鉆石刻刀在涂有金屬的表面上機械刻劃而成；復制光柵是用母光柵復制而成。典型刻劃光柵和復制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息通常包括正弦刻槽。刻劃光柵具有衍射效率高的特點，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。
光柵方程
　　反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產生衍射和干涉。對某波長，在大多數方向消失，只在一定的有限方向出現，這些方向確定了衍射級次。如圖1所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級次為m，d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：
mλ=d（sinα+sinβ）
　　定義φ為入射光線與衍射光線夾角的一半，即φ=(α-β)/2；θ為相對與零級光譜位置的光柵角，即θ=(α+β)/2,得到更方便的光柵方程：
　　mλ=2dcosφsinθ
　　從該光柵方程可看出：
　　對一給定方向β，可以有幾個波長與級次m相對應λ滿足光柵方程。比如600nm的上等輻射和300nm的二級輻射、200nm的三級輻射有相同的衍射角。http://www.jy17.com無錫建儀實驗器材有限公司0510-66073173
　　衍射級次m可正可負。
　　對相同級次的多波長在不同的β分布開。
　　含多波長的輻射方向固定，旋轉光柵，改變α，則在α+β不變的方向得到不同的波長。
如何選擇光柵
選擇光柵主要考慮如下因素：
刻槽密度G=1/d，d是刻槽間隔，單位為mm。
閃耀波長
　　閃耀波長為光柵ZUI大衍射效率點，因此選擇光柵時應盡量選擇閃耀波長在實際需要波長附近。如實際應用在可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm。
光柵刻線
　　光柵刻線多少直接關系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據實驗靈活選擇。
光柵效率
　　光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。
光柵光譜儀重要參數：
分辨率(resolution)
　　光柵光譜儀的分辨率R是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據瑞利判據為：
　　R==λ/Δλ
　　光柵光譜儀有實際意義的定義是測量單個譜線的半高寬(FWHM)。實際上，分辨率依賴于光柵的分辨本領、系統的有效焦長、設定的狹縫寬度、系統的光學像差以及其它參數等。
　　R∝M.F/W
M--光柵線數　　F--譜儀焦距　　W--狹縫寬度
色散
　　光柵光譜儀的色散決定其分開波長的能力。光譜儀的倒線色散可計算得到：沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長λ的變化，即：
Δλ/Δχ=dcosβ/nF
　　這里d、β、F分別是光柵刻槽的間距、衍射角和系統的有效焦距，n為衍射級次。由方程可見，倒線色散不是常數，它隨波長變化。在所用波長范圍內，改變化可能超過2倍。根據國家標準，在本樣本中，用1200l/mm光柵色散的中間值（典型的為435.8nm）時的倒線色散。http://www.jy17.com無錫建儀實驗器材有限公司0510-66073173
帶寬
　　帶寬是忽略光學像差、衍射、掃描方法、探測器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等，在給定波長，從光譜儀輸出的波長寬度。它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。例如，單色儀狹縫為0.2mm，光柵倒線色散為2.7nm/mm，則帶寬為2.7*0.2=0.54nm。
波長精度、重復性和準確度
　　波長精度是光譜儀確定波長的刻度等級，單位為nm。通常，波長精度隨波長變化，本樣本中為ZUI壞的情況。
　　波長重復性是光譜儀設定一個波長后，改變設定，再返回原波長的能力。這體現了波長驅動機械和整個儀器的穩定性。卓立漢光的光譜儀的波長驅動和機械穩定性極佳，其重復性超過了波長精度。
　　波長準確度是光譜儀設定波長與實際波長的差別。每臺單色儀都要在很多波長檢查波長準確度。
F/#
　　F/#定義為光譜儀的直徑與焦距的比值。這是對光譜儀接收角的度量，這是調整單色儀與光源及探測器耦合的重要參數。當F/#匹配時，可用上光譜儀的全部孔徑。但是大多數單色儀應用長方形光學部件。這里F/#定義為光譜儀的等效直徑與焦距的比值，長方形光學件的等效直徑是具有相同面積的園的直徑