棱镜式光谱仪简介

根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类: 经典光谱仪和新型光谱仪。
根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱 仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。

棱镜光谱仪是利用棱镜的色散作用，将非单色光按 波长分开的装置。其结构的主要部分为棱镜前的平行光 管、棱镜和棱镜后的望远物镜L2。棱镜前的平行光管， 是由一会聚透镜L1和放在它第一焦面的狭缝S所组成。

n0Sini1=n Sini1' n0Sini2
'=
α

n Sini2
----------(1)
i1
i1'
α i2
i 2'
θ
n
图1－1
如果棱镜置于空气中，n0≈1，则（1）式为 Sini1=n Sini1' Sini2'= n Sini2 ----------(2) 如图可见 α = i1'+ i2 ----------(3) θ =（i1- i1'）+（i2'- i2）
两条谱线波长的平均数与这两条刚好能分辨开的谱线之间的波长差之比，成为光谱棱 镜的分辨率，即 R
d
设含有两个波长（其波长差为dλ ）的一束平行光,以满足最小偏向角条件(i2’=i1)通 过图1-4所示棱镜，经色散后，
其角距离为：
d
2 sin

cosi1
2 dn
t 2l sin

2
棱镜式光谱仪简介
主讲人：陈胜
S13090924
光谱仪器
光谱仪器是光电仪器的重要组成部分。它是 用光学原理，对物质的结构和成份等进行测 量、分析和处理的基本设备，具有分析精度 高、测量范围大，速度快等优点。它广泛应 用于冶金、地质、石油、化工、医药卫生、 环境保护等部门；也是军事侦察、宇宙探索、 资源和水文探测等必不可少的遥感设备。
由（5）式可见，对于α 角已定的光谱棱镜，当入射角i1不变时，偏向角θ 是折 射率n的函数。又因为n是波长λ 的函数，所以θ 随波长的不同而不同。一束白光 经棱镜后，各波长对应的偏向角θ 不同，即在空间上被分解开来,如图1－2所示:
一般λ↓、n↑、θ↑
2. 最小偏向角条件
(i1 )函数有一个最小值 min
d di2 1 di1 di1 ' di2 d 最小偏向角的必要条件是 1.......... .......... ⑹ 0 则
将⑷式对 i1 微分
'
di1
di1
总之：
1 sin 2 i1 1 sin 2 i2' 2 .............................⑼ 2 2 2 ' n sin i1 n sin i2
由棱镜矩孔衍射所决定的最小分辨角为：
d 0 2 sin
d 0

D'


' l cosi2


l cosi1

2
t cosi1
要能分开两个波长的光束，根据瑞利判据 d d 0
2 sin

2 dn
2 sin

2
两边除以dλ得：
cosi1
t cosi1
dn 1 d t d

= i1+ i2'-( i1'+ i2)
= i1+ i2'-α ----------(4) 将折射角与入射角的关系式（2）代入上式得:
i1 arcsin(n sin i2Hale Waihona Puke Baidu)
1 i1 arcsinn sin arcsin( sin i1 ) ----------(5) n
' '
角色散率
dθ di2 di2 dn dλ dλ dn dλ sinα dn .......... .......... .........( 8) ' ' dλ cos i1 cos i2
dn d 是棱镜材料的色散率，它表示介质的折射率随波长的变化程度。
2. 光谱棱镜的分辨率
分辨率： 大的材料。
R
dn t d d
要增大棱镜的分辨率，可以增大棱镜底边长度t，选用介质色散率
光谱仪应用
光谱仪应用很广，在农业、天文、汽车、生物、化学、 镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、 造纸、喇曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合 及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、 氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、 LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、 颜色测量等领域应用广泛。

当非单色光照射狭缝后，经平行光管产生非单色 的平行光束。这些非单色平行光束通过棱镜后，不同 波长的平行光束经过折射后，方向不同。再经过棱镜 后的望远物镜L2，不同方向（即不同波长）的平行光 束，会聚到望远物镜后焦面上的不同地方，形成一系 列离散的不同波长的狭缝像，这便是光谱。若光谱仪 中的望远物镜后，再装上一目镜，用以直接观察光谱， 此种光谱仪就称为分光镜。若在望远物镜的后焦面上， 放一狭缝，将某种波长的光分离开来，则称为单色仪。 若在望远物镜的后焦面上，放一暗盒，把不同波长的 狭缝像拍摄下来，则称为棱镜摄谱仪。
谢谢！
' 由上式可见，只有当i1 i2 时， 上式才成立。
d 2 d 2i2 ＞0。 在 i1 i 时，有 2 2 di 1 di 1
' 2
'
所以上述条件，也是实现最小偏向角的充分条件。
二、光谱棱镜的基本特性
1. 角色散率

d 不同波长的单色光经过棱镜后有不同的偏向角θ ，d 称为棱镜角色散率。
一.光谱棱镜的分光原理
1.棱镜色散公式 1665年牛顿发现了光的色散现象，他令一束平行的白光通过一块玻璃棱镜，在棱镜后的屏 幕上得到一条彩色光带。这就是最原始的色散模型。 如图1－1所示是通光棱镜主截面的光路图。 它是一个顶角为α 的等腰三角形棱镜。光束的入射方向和出射方向的夹角θ 为偏向角。 折射定律为 n0