光谱学基础教程

The Optics of Spectroscopy

光谱学基础教程

The Optics of Spectroscopy

A Tutorial by J.M. Lerner and A. Thevenon

第1章衍射光栅：刻划型和全息型

1.1 基础公式

1.2 角色散

1.3 线色散

1.4 波长和衍射阶次

1.5 分辨“能力”

1.6 闪耀光栅

1.6.1 Littrow条件

1.6.2 效率曲线

1.6.3 效率和阶次

1.7 衍射光栅和杂散光

1.7.1 散射光

1.7.2 鬼线

1.8 光栅的选择

1.8.1 什么时候选择全息光栅

1.8.2 什么时候选择刻线光栅

第2章：单色仪和摄谱仪

2.1 基本组成

2.2 Fastie​E bert型配置

2.3 Czerny​T urner型配置

2.4 Czerny​T urner/Fastie​E bert 型的PGS差

2.4.1 像差校正平面光栅

2.5 凹面像差校正全息光栅

2.6 单色仪配置中计算α和β

2.7 单色仪的光学部分

2.8 光开口阻挡和入口、出口“瞳孔”

2.9 孔径比(f值,f数)和数值孔径

2.9.1 透镜系统的f数

2.9.2 光谱仪的F数

2.9.3 放大率和光通量密度

2.10 出口狭缝宽度和扭曲失真

2.11 狭缝高度的放大倍数

2.12 光谱带宽和分辨率

2.12.1 狭缝(P1(λ))的影响

2.12.2 衍射效应(P2 (λ))的影响

2.12.3 成像偏差(P3 (λ))的影响

2.12.4 计算仪器线形的半高全宽(FWHM )

2.12.5 像宽和阵列探测器

2.12.6 讨论

2.13 阶次和分辨率

2.14 色散和最大波长

2.15 阶次和色散值

2.16 如何选择单色仪和摄谱仪

第3章：光谱仪的光通量和光展量

3.1 定义

3.1.1 光展量介绍

3.2 系统的相对光通量

3.2.1 光展量的计算

3.3 进入光谱仪的光流量

3.4 采用小直径光纤光源时整套系统的优化实例

3.5 采用宽光源时整套系统的优化实例

3.6 光通量和带宽随狭缝宽度的变化

3.6.1 连续光谱光源

3.6.2 离散光谱光源

第4章：光学信噪比和杂散光

4.1 随机杂散光

4.1.1 光谱仪的光学信噪比

4.1.2 信号的量化，Φu

4.1.3 杂散光的量化Φd和信噪比Φu/Φd

4.1.4 信噪比的优化

4.1.5 信噪比优化实例

4.2 直接杂散光

4.2.1 光谱仪的错误收集方式

4.2.2 二次进入光谱

4.2.3 光栅鬼线

4.3 信噪比和狭缝尺寸

4.3.1 单级单色仪和连续谱光源

4.3.2 单级单色仪和单色光光源

4.3.3 双级单色仪和连续谱光源

4.3.4 双级单色仪和单色光光源

第5章：波长与阵列探测器上像素位置的关系

5.1 确定焦平面上给定位置对应的波长

5.1.1 分析与结论

5.1.2 确定一个已知波长在焦平面上的位置

第6章：入口光学

6.1 入口光学的选择

6.1.1 基础公式的回顾

6.2 建立单色仪系统的光轴

6.2.1 所需物品

6.2.2 步骤

6.3 光信号进入光谱仪

6.4 入口光学实例

6.4.1 与小光源匹配的光学开口

6.4.2 与宽光源匹配的光纤开口

6.4.3 光源的缩小成像

6.5 场透镜的使用

6.6 针孔相机效应

6.7 空间滤镜

附录

致谢

参考文献

第1章衍射光栅：刻划型和全息型

衍射光栅由下列两种方法制成：一种是用带钻石刀头的刻划机刻出沟槽的经典方法，另一种是用两束激光形成干涉条纹的全息方法。(更多信息详见Diffraction Gratings Ruled & Holographic Handbook).

经典刻划方法制成的光栅可以是平面的或者是凹面的，每道沟槽互相平行。全息光栅的沟槽可以是均匀平行的或者为优化性能而特别设计的不均匀分布。全息光栅可在平面、球面、超环面以及很多其他类型表面生成。

本书提到的规律、方法等对各类不同表面形状的经典刻划光栅和全息光栅均适用，如需区分，本书会特别给出解释。

1.1 基础公式

在介绍基础公式前，有必要简要说明单色光和连续谱。

提示：单色光其光谱宽度无限窄。常见良好的单色光源包括单模激光器和超低压低温光谱校正灯。这些即为大家所熟知的“线光源”或者“离散线光源”。

提示：连续谱光谱宽度有限，如“白光”。理论上连续谱应包括所有的波长，但是实际中它往往是全光谱的一段。有时候一段连续谱可能仅仅是几条线宽为1nm的谱线组成的线状谱。

本书中的公式适用于空气中的情况，即m

0=1。因此，l=l

0=

空气中的波长。

定义单位α - (alpha) 入射角度

β - (beta) 衍射角度

k - 衍射阶数整数

n - 刻线密度刻线数每毫米D V - 分离角度

µ0 - 折射率无单位

λ - 真空波长纳米

λ0 - 折射率为 µ0介质中的波长

其中λ

0 = λ/µ0