光谱仪简要介绍

光栅的闪耀涉及能量分配问题。由于光栅的分光作用和棱镜不同，同时产 生着许多级的光谱，这样就使得光栅分光时能量分配十分分散，每级光谱能量 很弱，尤其是零级光谱占去很大部分。但它是不产生色散的，不能利用的。 光栅分光后，在每一级光谱中间的能量分配取决于光栅刻槽的微观形状，因 此在反射光栅中，可以控制刻槽平面和光栅平面之间的夹角，使每个刻槽平面 就好象一面镜子把光能高度集中到一个方向去， 这种方法叫闪耀。
棱镜光谱仪 接收 和记 录光 谱的 方法 看谱仪 摄谱仪 光电光谱仪 光电直读光谱仪 光电单色仪 分光光度仪 色散原理 衍射光栅光谱仪 干涉光谱仪
光谱仪器所能正常工作的光谱范围： 真空紫外（远紫外）光谱仪 紫外光谱仪 可见光光谱仪 近红外光谱仪 红外光谱仪 远红外光谱仪
波段
1. 入口狭缝：通常由一个长狭缝组成的入口。 2. 校准元件，用来将所有通过入射狭缝的光保持平行。 透镜、反射镜或是一个色散元件（dispersing element）的部分或整体 器件，例如：凹面光栅光谱仪。 3. 色散元件（两种），棱镜的工作光谱区受到材料透过率的限制；在小 于 120nm 真空紫外区和大于 50 微米的远红外区是不能采用的，而光 栅不受材料透过率的限制，它可以在整个光谱区中应用，光栅的分辨 率比棱镜大。通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条 光束。 光路径由其波长决定 4. 聚焦元件: 聚焦色散后的光束，使其在焦平面（focal plane）上形成一 系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。 5. 探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。 该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列，也可以是 一个出口狭缝。
将复色光在空间上按照不同的波长分离/延展开来，配合各种光电仪器附件得到 波长成分及各波长成分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。
依据波长可以决定是那一种元素，这就是光谱的定性分析。 另一方面谱线的强度是由发射该谱线的光子数目来决定的，光子数 目多则强度大，反之则弱，而光子的数目又和处于基态的原子数目 所决定，而基态原子数目又取决于某元素含量多少，这样，根据谱 线强度就可以得到某元素的含量。
一般说来，任何一种具有空间周期性的衍屏的光学元件都 可以称为光栅。它是在一块平整的玻璃或金属材料表面 （可以是平面或凹面）刻画出一系列平行、等距的刻线， 然后在整个表面镀上高反射的金属膜或介质膜。 刻画光栅：用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成。 衍射效率高。 复制光栅：用母光栅复制而成。 典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。
入射狭缝在光电直读光谱仪中作用很大，从成象关系上来看，光谱线是入射 狭缝的单色象，从光能传递的关系上看来，入射狭缝是限制光能量的有效光栏。 入射狭缝的质量与谱线质量有直接的关系。 对应每个出射狭缝装置一个光电倍增管，将光强信号转换成电流信号。
测量光谱线的光电元件主要是光电倍增管， 作为光能转变为电能的光电元件 在测定光谱线强度时的基本特性。 将光电倍增管输出的光电流向积分电容器充电，测量积分电容器上的电压来 表示谱线的强度的办法
在给定方向的照射和观测条件下，物体反射的辐射通量与入射在物体表面上的辐射通量的比值。
在给定方向的照射条件下，物体反射到半球空间的辐射通量与处在相同照射条件下的完全反射漫射体反 射的辐射通量的比值。
在给定方向的照射和观测条件下，物体反射的辐射能量与处在相同照射和观测条件下的完全反射漫射体 反射的辐射通量的比值。
光电元件的灵敏度概念：光谱灵敏度和积分灵敏度二种： 光谱灵敏度指各不同波长的入射光束产生不同光谱灵敏度。 积分灵敏度指光电元件对射入的所有光束的灵敏度。
电倍增管是基于电子二次发射原理之上的，它的积分灵敏度比光电管大 多了， 从而减小了放大器的线路。其工作原理如下：
射人光阴极 K 上的光束，促 使电子由光阴极发出，轰击发射 极 d1, d2, d3…，…直至集电极 A 发射出光电流 Io，各个发射极 受到电子轰出以后，放出更多的 电子且继续轰发下一个发射极、 发射极之间存在着一定的电压。
干涉的极大值-光栅方程： mλ=2dcosφsinθ •φ=(α-β)/2 •θ=(α+β)/2 •m=0, ±1, ±2.........
对一给定方向β，可以有几个波长与光谱级m相对应λ，满足光栅方程。比 如800 nm的一级辐射和400 nm的二级辐射、200 nm的三级辐射有相同的衍射 角，这就是为什么要加消二级光谱滤光片的原因。 入射光线穿过滤光系统后，滤光系统有选择地吸收或限制一定光谱范围 的光，并使未被吸收的那部分光顺利通过，而达到有选择性的感光效果和滤 光目的。
Δλ/Δχ=dcosβ/mF
这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，m 为衍射级次
影响 的因素是光谱级次，光栅有效长度，光栅的线槽密度 以及光的入射角和衍射角。R随这些因素增大而增大。 还要考虑到其他因素，例如光学系统的象散，仪器狭缝的 实际宽度及色散能力，接受器的分辨能力等，因此 R实际要比 R理论小。
是指它对不同波长的光彼此衍射的角度间隙的大小。通常 不用角色散来标志分光仪的性能， 而用线色散率或线色散率的倒数来标志 其性能。要增大分光仪的线色散率，须提高光栅的角色散率或者增长分光 仪的焦距。 习惯上分光仪的色散能力总是以线色散率的倒数来表示。 即用nm／mm 来表示。 因此， 。 光谱仪的倒线色散可计算得到：沿单色仪的焦平面改变距离χ引起波长λ 的变化，即：
光谱是按照波长（或波数、频率）顺序排列的电磁辐射。电磁 辐射实际是一种以巨大速度通过空间而传播的能量（光量子 流），具有波动性和微粒性。 就波动性而言，电磁辐射在空间的传播具有波的性质。
δ＝V/C=1/λ
就微粒性来说，每个光量子均有其特征的能量 ε，它们 与波长或频率之间的关系可以用普朗克公式表示。 ε＝hv＝h（c/λ）
反射遵从余弦定律的理想均匀反射体。当从任何一方向照射时，各方向的辐射 亮度相同。
光滑反射比等于1、辐射亮度分布与方向无关的理想均匀反射体。
在相同的照射条件下，物体反射的辐射通量与理想的完全反射漫射体反射的辐射通量之比。
在给定方向的照射条件下，物体反射到半球空间辐射通量与入射在物体表面上的辐射通量的比值。
电磁辐射按波长顺序排列称电磁波谱。他们是物质内部运动的一种客观反映。 如果已知物质由一种状态，E2过渡到另一种状态 E1时，其能量差为△E=E2-E1 便可按照普朗克公式计算出相应的光量子的波长。
下表列出了各辐射区域、波长范围及相应的能及跃迁类型。
光与物质相互作用引起物质内部原子及分子能级间的电子跃迁，使物质对光的吸 收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，而检测并处理这类变化的仪器。
复色入射光进入入射狭缝后，经过准光镜变成复色平行光，照射到衍射光栅色散 后，形成不同波长的平行光并以不同的衍射角度出射。 衍射光栅安装在一个转台上。 物镜将照射到它上面的某一波长的光聚焦在CCD探测器记录波长光强度，记录 光栅不同旋转角度的输出光信号强度，即记录光谱。 光栅就不同波长的光信号旋转，依次聚焦在出射狭缝，通过输出狭缝选择特定 的波长。
光电倍增管的基本特性
1．光特性：光特性是指光电流与射入光阴极的光束强度成直线关系。 2．光谱特性：光电元件的光谱特性是光电流与入射光束波长的关系。 3．伏安特性：是指光电流与供电电压的关系。 4．频率特性，是指光电流与入射光束强度变化频率的关系。 5．温度特性：随着温度的升高发生不同的变化这就是光电元件的温度特性。 6．光电元件随着其工作时间长短的变化称老化，也决定光电元件的使用寿 命。
，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，
，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时 。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为 500nm。 ，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。 为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用 特殊镀膜，提高反射效率。 块理想的光栅刻线应该是等距离的。 但实际是难以做到的。 总是存在一些误差。 这种刻线的误差，在光栅仪器中产生的光谱中以鬼线和伴 线的形式表现出来。也就是说在不应该有谱线的位置上出现“伪线”
光电倍增管供电线路见图。各电极之间用分压电阻并联。
对光电管和光电倍增管而言，噪声源主要是散粒 效应和热效应。 光阴极在不同的时间发射出的电子数是不同的，因 而引起光电流的起伏，这种物理现象称散粒效应。 在室温下电子在导体中仍然保持热运动，这种现象 称热效应。
信号与噪声的比值是光电测量装置的最重要参数， 直接决定光电元件能测量的最小光电流
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R∝ M· F/W
M-光栅线数 F-谱仪焦距 W-狭缝宽度 实际分辨率的表示方法，指出该仪器可以分辨开那些谱线组中的邻近 线，这时可以选择谱线组中相距最近的两条谱线的平均波长入与其波长差 Δ入之比来表示，定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)。
凹面光栅与平面光栅都符合光栅方程，区别在于毛胚为凹球面反射镜刻成 光栅的，在光谱仪中，凹面光栅既可用于色散元件，又可用于聚焦元件，凹面 光栅分光色差小，透镜吸收小，反射损失率小。
• 辐射通量 radiant energy flux
• 单位时间内通过一个任意面（曲面或平面）的辐射能，W。同义词：辐射功率。
• 辐射照度 irradiance
• • 光源入射到物体单位面积上的辐射能量，W/m2。 同义词：辐照度。
•
•
辐射亮度 radiance
辐射源在单位投影面上单位立体角内的辐射能通量，W/(m2· sr)。同义词：辐亮度。
E() / A
单位： W M
3
定义：表面上一点的辐照度是入射在包含该点的面元上的辐射通量 除 以该面元面积A之商， 为光谱响应带宽。
测量内容具体分为以下Total Spectral 2种：
A. B. 总光谱辐照度（Irradiance）； 漫射光谱辐照度（Diffuse Spectral Irradiance）
光栅上每个刻槽产生衍射的结果。 由于光的衍射使光经过光栅后不同波长的光沿 不同方向衍射出去。 每个刻槽衍射的光彼此之间是互相干涉的。 波长不同的光干涉的 极大值出现的方向不同， 因而复合光经过光栅后使色散而成光谱。
衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，它性能直接影响整个系统 性能。 光栅刻线方向与光谱仪狭缝平行，入射光经光栅衍射后，相邻刻线 产生的光程差∆s=d (sinα±sinβ) ，α为入射角，β为衍射角
L() / A 单位： W M 3 sr 1
是过给定点的束元传输的并包含给定方向的立体角元内 传播的 定义： 辐射通量，A是包含给定的辐射束投影截面， 为光谱响应带宽。
测量内容具体分为以下3种： A. B. C. 目标光谱辐射亮度（Target Spectral Radiance）； 太阳光谱辐射亮度（Solar Spectral Radiance）； 天空光谱辐射亮度（Sky Spectral Radiance）。
• 辐射出射度 radiant exitance
• 物体单位面积发出的总辐射通量，W/m2。
辐射在传播过程中从一种媒质射向另一种媒质时，在两种媒质分界上有辐射返 回到原媒质的现象。
率。
反射辐射被表面或媒质分散开的现象。漫反射不改变组成辐射的单色成分的频
被物体表面反射的辐射通量与入射物体表面上的辐射能量的比值。给定波长处 单色光的反射比，称为光谱反射比（spectral reflectance）。
Laminar光栅
闪耀光栅
全息光栅：由激光干涉条纹光刻而成。 通常是正弦刻槽。 光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。 全息照相刻划 法，其原理如下：二束相干光重叠会 产生干 涉条纹。
振幅型光栅
全息光栅
其间距为D=λ/2sinα，
若在面上放置一块予先涂上抗光蚀层的 毛胚，则在蚀层获得干涉条纹的空间潜象， 经显影后则在毛胚上获得干涉条纹的立体象 (全息象)，这就是透射衍射光栅。镀反射膜 后可成为反射式衍射光栅。