光谱仪基本知识分解

|
Creative ways to construct winning e-mails
最小偏向角条件
• 对于单色的入射光，偏向角θ随入射角变化而变化， 对于某一个入射角，偏向角存在最小值。
ɑ i1 θ i'1 i2 i'2
d 0 di1
• 根据折射定律和几何关系可以 得到最小偏向角条件： i1 = i'2 此时： i'1=i2=α/2 θmin=2i1-α
通过扫描光栅来获得不同的波长 剩余慧差小。适用于单色仪。 光栅尺寸大的时候不能适用。 容易产生多次衍射。
Creative ways to construct winning e-mails |
Czerny-Turner(切尔尼-特纳)装置类型
此装置是Ebert-Fastier装置的改进版，避免了 多次衍射，能够适用更大的光栅，还可以更好 消除球差。
棱镜非主截面的光谱线弯曲
狭缝的像在焦平面上不是一条直线而是一条弯曲的光 谱线，弯曲的方向朝向短波方向。 原因：非狭缝中心的光线进入棱镜时，不是通过棱镜 的主截面，而是在倾斜截面上折射，此时的色散率和 偏向角都和主截面上的不同。
Creative ways to construct winning e-mails |
• 最常用的方法： • 增加棱镜数目。
Creative ways to construct winning e-mails |
棱镜的分辨率
ɑ
t
根据角分辨率公式，有：
d 2sin
dn R t （最小偏向角情况） d d
Creative ways to construct winning e-mails
• 鬼线
• 是由刻划中的周期性误差引起的，这样会在真谱线两侧产生对称的 假谱线。 • 有罗兰鬼线和赖曼鬼线两种。
• 杂散光
• 刻划中的各种局部误差和随机误差，以及光洁度的不足等都会引起 杂散光的存在，现在的光栅一般要求杂散光的相对强度小于10-5
Creative ways to construct winning e-mails
• 2、光栅复制 • 母光栅清洁，真空镀油，镀铝，配制环氧树胶，毛坯清 洁，粘接与固化，分离与修正 • 3、全息法制造 • 玻璃毛坯精选和加工；涂光致抗蚀剂；曝光；化学处理； 真空镀膜
Creative ways to construct winning e-mails
|
光栅制造中的缺陷
• 伴线
• 刻线间距的偶然的和局部的误差导致谱线轮廓形状复杂化，在较高 级次的光谱中，靠近谱线会出现微弱的大多不对称的伴线。 • 伴线相对强度较小时，并不影响分辨率，但是影响谱线轮廓的研究 。
• 角色散率 ： • 线色散率 ：
d d
dn 2 2 d 1 n sin 2 2
2sin

1 dn • 分辨率 ： R t d 3 d
Creative ways to construct winning e-mails |
几种常用的棱镜结构
• Littrow 棱镜
• Amici 棱镜
Creative ways to construct winning e-mails |
光谱仪器设计的基本原则
2 dn cos i1
矩孔衍射决定的最小分辨角 为： 2 sin 2 d0
D' t cosi1
实际情况
1 dn R t d 3 d
|
棱镜的横向放大率
ɑ
i1
i'1 i2
i'2
di2 ' cos i1 cos i2 di1 cos i1 'cos i2 '
i和θ在法线的同一侧，两 角度符号相同，取正号 i和θ在法线的不同侧，两 角度符号相反，取负号
|
d sin i sin m
m arcsin sin i d
m=0，所有波长不分开，没有色散，零级光谱 m ≠ 0 ，对于一定的光栅常数和同样的入射角，同 一级次不同波长的光在空间向左右两边分开 m>0，正级光谱 m<0，负级光谱 对于给定光栅的最高光谱级次限制：
棱镜可用的材料
Creative ways to construct winning e-mails
|
例子
• λ=400nm t=5cm • 熔融石英 n=1.47，dn/dλ=1100cm-1 • 重燧石玻璃：n=1.81， dn/dλ=4400cm-1
（考虑一等边棱镜，顶角60度，成像透镜焦距f=100mm）
Creative ways to construct winning e-mails
|
Creative ways to construct winning e-mails
|
色散元件之光栅 Gratings
n
i
θ
d
光栅方程：
d sin i sin m
Creative ways to construct winning e-mails
• 对称光路方便设计使用。
Creative ways to construct winning e-mails |
棱镜的角色散率
• 根据角色散率定义，在最小偏向角情况下的棱 镜角色散率为： 2sin d dn 2 d 2 2 d
1 n sin 2
• 增加角色散率的方法：
• 1 减小入射角（杂散光影响） • 2 增大折射顶角（全反射限制） • 3 增大材料色散（材料和价格限制）
2 2 b b • 有用波长范围的经验公式： 2m 1 2m 1
Creative ways to construct winning e-mails
|
光栅制作的要求
• 根据理论计算和实际工作： • 一块用于一级光谱的光栅，它的刻线随机误差和周期误 差不应超过光栅常数的1%，累积误差不超过光栅常数的 10%。 • 对应用于第m级光谱的光栅，上述误差的许可值将与光 栅的光谱级次成反比。
m d constant d 0 d
|
Creative ways to construct winning e-mails
光栅的分辨率
• 考虑一块理想光栅，入射和衍射光线都位于主截面内， 假设为正入射（i=0），则波长λ的第m级主亮条纹：
d sin m m
Creative ways to construct winning e-mails
'
i
a sin sin ' 2sin cos i i a ' i
|
闪耀波长
• 对于确定的光栅，对于一定的入射角，衍射角的方向与反射方向 一致的波长，称为光栅的闪耀波长。此时的衍射角称为光栅的闪 耀方向。 i • 正如前面所示，此时要满足： i 2 • 我们将刻槽面与光栅平面的夹角α称为闪耀角。上式称为付闪耀 条件。 • 此时的光栅方程： 2d sin cos i m • 一般规定m=1时的波长为闪耀波长λb，则： b 2d sin cos i • 当i=θ=α时（Littrow装置中），闪耀波长λB为： B 2d sin
• 闪耀光栅的几何参数a和ɑ需满足一定条件： • 一、反射方向与需要的衍射方向一致 • 二、光栅零级主极大方向在单缝 的负第一衍射级的极小方向上
m m sin i sin 2sin cos d d ' i
• 例： • 应用1级光谱的1200 L/mm光栅，随机误差和周期误差不大于 0.008um，而累积误差要小于0.08um
• 要达到如此高的精度，技术上的难度极大。
Creative ways to construct winning e-mails |
光栅的制造方法
• 1、机械刻划
• 精选玻璃毛坯，真空镀膜，刻划槽型，检验
• i=θ=α又称为主闪耀条件
b B cos
Creative ways to construct winning e-mails
i
2
B cos

2
|
闪耀光栅的效率
• 绝对效率：在给定的光谱级中，衍射光的通量对入射的 单色光通量之比。 • 光栅效率一般决定于刻槽的轮廓和密度，而且随波长变 化。 • 光栅效率也和入射光的角度以及偏振态有关。 • 闪耀波长处，光栅效率最高，在闪耀波长的两侧效率下 降。下降速度随级次增大而加快。 • 效率大于0.4的波长范围才被认为是有效的工作区域。
光栅光谱的叠级和自由光谱范围
d sin i sin m
• 等式左边不变，右边可以是不同级次的不同波长，即
m11 m22 m33
• 这种现象称为光谱的叠级。 • 一个光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段称为自由光 谱范围。
m m 1


m 1
|
• 光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。
Creative ways to construct winning e-mails
闪耀光栅
θ
α
n
n'
• 原理：Baidu Nhomakorabea于闪耀光栅 ，每个刻痕断面都相 当于一个小反射镜， 当衍射光线主要集中 于反射方向上，能量 可以集中在所需要的 某一光谱级次的波段 范围内。
|
常用光栅装置类型
• Littrow（李特洛）装置类型
自准直结构，结构简单，紧 凑。 狭缝和光栅之间尽可能近。 用抛物面镜作反射时，可以 没有球差，且慧差最小。 谱线弯曲无法消除。 杂散光比较多。
Creative ways to construct winning e-mails
|
Ebert-Fastie(艾伯特-法斯梯)装置类型
Creative ways to construct winning e-mails
|
最小偏向角的特点和优势
• 当棱镜工作在最小偏向角时，入射光和出射光是完全对 称的，在棱镜内部光线平行于棱镜底边传播。 • 设计棱镜光谱仪器时一般使色散棱镜（对某个中间波长 ）处于它的最小偏向角位置上进行工作。 • 对称的光路可以使得棱镜产生的相差（球差，像散）最 小，使得谱线成像质量好，分辨率高。 • 光路对称时，棱镜不产生附加的横向放大率（针对一个 特定波长而言。） • 可以充分利用棱镜的有效孔径，使得尺寸最小。
• 则波长λ+dλ的第m级主亮条纹：
d sin 'm m d
1 d sin m1 m N
• 波长λ的第m级主亮条纹外的一阶极小值满足： • 瑞利判据：m1 'm
R mN d
Creative ways to construct winning e-mails |
sin i sin 2
mmax
Creative ways to construct winning e-mails
2d

|
光栅的角色散率
d sin i sin m d cosdθ md
d m d d cos
• 光栅的角色散率与光栅常数d成反比 • 光栅的角色散率与光谱级数成正比 • 光栅的角色散率与衍射角余弦成反比 • 在靠近法线位置：
OPTICS
Spectrometer 光谱仪器的基本知识
A Basic Introduction of Spectrometer Instruments
陈和 北京理工大学 光电学院 shinianshao@gmail.com Tel：68918398
色散元件之棱镜 Prism
ɑ
i1
θ
i'1 i2 i'2 偏向角θ为：
sin i1 n sin i1 ' n sin i2 sin i2 '
sin i1 i1 arcsinn sin arcsin n
i1 'i2 i1 i2 '
对于一定的入射角，偏向角随折射率n变 化。 一般地，波长短，折射率大，偏向角θ大。