第六章红外辐射测量仪器及基本参数测量优秀课件
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• 能量集中是单元衍射的结果，大部分能量都集中 在几何像点（衍射的中央主极大，即衍射零级） 上。
• 对于平面光栅，单元衍射零级的位置与缝间干涉 零级的位置恰好是重合的。
• 如果让衍射零级偏离干涉零级的位置，即让单元 衍射的中央零级与j=1，或2，……的光谱重合， 即可解决上述问题。
• 闪耀光栅具有这种能力。
在最小偏向角时棱镜的色散：
Ddm( dn)1dn d dm d
d n ——棱镜材料的色散率
d
色散本领
线色散
D12 ns2isn in 2 2()d d n,
D l d d lD f1 2n f2 ssiin n 2 2 ()d d n
2
2
常用线色散 Dl 的倒数表仪器的性能
色散范围
棱镜不会产生不同波长谱线重叠现象 棱镜光谱仪的色散范围决定于材料对光谱的吸收
◆ 线色散本领
接收屏上光谱分开的线距离
Dl
l
(mm/ A )
δl f
色分辨本领
Dl
d
Kf cos
与 f 相关
光栅色分辨本领
R
Δ分辨极限
差异—两个主极大分开的程度 主极大的重叠程度
光栅方程 + 的 K 级极大 dsin K ()
的 K 级极大旁第一极小
dsin(K1)
N
Baidu Nhomakorabea
当 + 的 K 级主极大正好位
单色仪概述
• 从复色光源中提取单色光 • 测量复色光源的光谱：
研究目的—物质的辐射特性，光与物质的相互 作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远 星体的温度、质量、运动速度和方向。
应用范围—采矿、冶金、石油、燃化、机器制 造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空 间物理（卫星观测）等等。
• 一般的单色仪由入射狭缝、准直物镜、色散元件、 成像物镜及出射狭缝组成。
j=0
-6
-4
-2
0
2
4
6
j=0
-6
-4
-2
0
2
4
6
-6
-4
-2
0
2
j=0 j=0
4
6
二、常见单色仪光学系统
N
M
O
6.1 红外辐射测量仪器
1. 单色仪 ❖ 定义：单色仪是利用分光元件（棱镜或光栅）从
复杂辐射中获得紫 外、可见和红外光谱且具有一定单色程度光束的 仪器。 ❖ 组成：由狭缝、准直镜和分光元件按一定排列方 式组合而成。 ❖ 应用：单色仪作为独立的仪器使用时，可用于物 体的发射、吸收、反射和透射特性的分光辐射测 量和光谱研究，也可用于各种探测器的光谱响应 测量。若把单色仪与其他体系组合在一起，则可 构成各种光谱测量仪器，如红外光谱辐射计和红 外分光光度计等。
于的 K 级极大旁第一极小时
R KN
N 越大 R 越大
Δ
如：光栅长为5cm，每 mm刻痕为1200条,计算第 一级光谱的R和6000Å附
近分辨极限 ？ R = 6104， = 0.1Å
Δ
由光栅方程 R Ndsin
Nd光栅宽度
色散范围
当 + 的 K 级主极大与 的 K+1 级主极大重叠
K ( )(K 1 )
• 光栅的角色散率与波长 无关，棱镜的角色散率 与波长有关。
• 棱镜的尺寸越大分辨率 越高，但制造越困难， 同样分辨率的光栅重量 轻，制造容易。
• 光栅存在光谱重叠问题 而棱镜没有。
• 光栅存在鬼线（由于刻 划误差造成）而棱镜没 有。
闪耀光栅
• 平面式光栅的零级谱无色散。但该级却具有最大 的能量。
❖
❖
图6-1 棱镜对单色光的折射
❖
❖ 早期的单色仪多采用棱镜作为色散元件．如图6-1
❖ 角色散为
❖
d d1n22ssii2 n A nA 2212•d dn
（6-1）
❖ 棱镜的材料和形状最终决定了棱镜的分辨本领。
❖
❖ 分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力．
❖ 则其理论分辨本领R即：
❖ ❖
R
K 级光谱线的色散范围： G 2 K dsin
在此光谱范围内, K 级谱线不会与其它级次谱线重合
注意
光栅都在低级次下使用，色散范围大，一般都在几百nm F-P 干涉仪的使用范围是高级次，色散范围很窄，
=10-3 nm
光栅与棱镜相比
优点
缺点
• 棱镜的工作光谱区受到 材料的限制（光的波长 小 于 120nm ， 大 于 50m时不能用)
（6-6）
❖
❖ 由式（6-6）可知，光栅的分辨本领与划线总数N
和光谱的级数m成正比。
❖
❖ ❖
❖ 单色仪的工作原理可用图6-3所示的反射式单色仪 光路系统加以说明。来自辐射源的辐射束穿过入 射行棱狭光镜P缝束，S投1于后射是，到被经平分抛面解物反为面射不准镜同直M折2反，射射再角镜被的M反单1反射色射进平变入行成色光平散束， 经S2输另出一。抛色物散面棱反镜射P镜与M平3反面射反，射并镜聚M焦2的于出射狭缝
• 单色仪的种类较多，有通用型和专用型之分。主 要性能指标包括如下内容： ① 工作波段范围 ② 线色散率 ③ 光谱宽度或光谱分辨率 ④ 波长重复性 ⑤ 波长准确度 ⑥ 波长扫描速度 ⑦ 物镜视场角等
一、单色仪的特性
色散本领 色分辨本领 色散范围
1.棱镜
色散本领 D d d
m
a
t
单位波长间隔的偏向角差
色分辨本领
和 + 两束透射 光的偏向角之差m
决定于截面宽度 a
由瑞利判据
m
a
棱镜色分辨本领
m
a
t
R am
2.光栅
d s i nK
色散本领 不同波长的同级主极大分开的角距离
由光栅方程
D
K
(radA)/
dcos
D
角色散本领
讨论
d 越小，K 越大，角色散越大
很小，角色散与波长无关
b
dn
d
（6-2）
❖ 图6-2所示为一种具有三角形线槽的反射式
平面衍射光栅，称为闪耀光栅。闪耀光栅
每个缝的平面和光栅平面之间有一个角度θ， 每个缝对入射光产生衍射作用。
图6-2 闪耀光栅的横剖面图
❖ 闪耀光栅主极大的位置服从光栅方程式
❖
m b(sii n sin )
❖
（6-3）
❖ m为衍射级次级，m=0，±1，±2，…b为光栅常 数；i为入射角；φ为衍射角。
第六章红外辐射测量仪器及基 本参数测量
光谱学发展史
• 1、形成阶段：1666年牛顿在研究三棱镜时发 现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。 1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视 窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线 （夫琅和费谱线）。
• 2、研究室和应用阶段：1860年基尔霍夫和本 生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱 仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的， 人们开始研究光栅光谱仪。
❖ 将式（6-3）对λ微分即可求出交色散率dφ/dλ为
❖ ❖
d d
m
b c os
（6-4）
❖ 光栅的分辨本领R也具有式（6-2）的形式， 即
❖
R W d
（6-5）
❖
d
❖ 式中W是有效孔径宽度，W=bNcosφ，其中b是一 条划线的宽度，N是划线总数，φ是衍射角。将式 （6-4）代入上式得
❖
RmN
• 对于平面光栅，单元衍射零级的位置与缝间干涉 零级的位置恰好是重合的。
• 如果让衍射零级偏离干涉零级的位置，即让单元 衍射的中央零级与j=1，或2，……的光谱重合， 即可解决上述问题。
• 闪耀光栅具有这种能力。
在最小偏向角时棱镜的色散：
Ddm( dn)1dn d dm d
d n ——棱镜材料的色散率
d
色散本领
线色散
D12 ns2isn in 2 2()d d n,
D l d d lD f1 2n f2 ssiin n 2 2 ()d d n
2
2
常用线色散 Dl 的倒数表仪器的性能
色散范围
棱镜不会产生不同波长谱线重叠现象 棱镜光谱仪的色散范围决定于材料对光谱的吸收
◆ 线色散本领
接收屏上光谱分开的线距离
Dl
l
(mm/ A )
δl f
色分辨本领
Dl
d
Kf cos
与 f 相关
光栅色分辨本领
R
Δ分辨极限
差异—两个主极大分开的程度 主极大的重叠程度
光栅方程 + 的 K 级极大 dsin K ()
的 K 级极大旁第一极小
dsin(K1)
N
Baidu Nhomakorabea
当 + 的 K 级主极大正好位
单色仪概述
• 从复色光源中提取单色光 • 测量复色光源的光谱：
研究目的—物质的辐射特性，光与物质的相互 作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远 星体的温度、质量、运动速度和方向。
应用范围—采矿、冶金、石油、燃化、机器制 造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空 间物理（卫星观测）等等。
• 一般的单色仪由入射狭缝、准直物镜、色散元件、 成像物镜及出射狭缝组成。
j=0
-6
-4
-2
0
2
4
6
j=0
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-4
-2
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2
j=0 j=0
4
6
二、常见单色仪光学系统
N
M
O
6.1 红外辐射测量仪器
1. 单色仪 ❖ 定义：单色仪是利用分光元件（棱镜或光栅）从
复杂辐射中获得紫 外、可见和红外光谱且具有一定单色程度光束的 仪器。 ❖ 组成：由狭缝、准直镜和分光元件按一定排列方 式组合而成。 ❖ 应用：单色仪作为独立的仪器使用时，可用于物 体的发射、吸收、反射和透射特性的分光辐射测 量和光谱研究，也可用于各种探测器的光谱响应 测量。若把单色仪与其他体系组合在一起，则可 构成各种光谱测量仪器，如红外光谱辐射计和红 外分光光度计等。
于的 K 级极大旁第一极小时
R KN
N 越大 R 越大
Δ
如：光栅长为5cm，每 mm刻痕为1200条,计算第 一级光谱的R和6000Å附
近分辨极限 ？ R = 6104， = 0.1Å
Δ
由光栅方程 R Ndsin
Nd光栅宽度
色散范围
当 + 的 K 级主极大与 的 K+1 级主极大重叠
K ( )(K 1 )
• 光栅的角色散率与波长 无关，棱镜的角色散率 与波长有关。
• 棱镜的尺寸越大分辨率 越高，但制造越困难， 同样分辨率的光栅重量 轻，制造容易。
• 光栅存在光谱重叠问题 而棱镜没有。
• 光栅存在鬼线（由于刻 划误差造成）而棱镜没 有。
闪耀光栅
• 平面式光栅的零级谱无色散。但该级却具有最大 的能量。
❖
❖
图6-1 棱镜对单色光的折射
❖
❖ 早期的单色仪多采用棱镜作为色散元件．如图6-1
❖ 角色散为
❖
d d1n22ssii2 n A nA 2212•d dn
（6-1）
❖ 棱镜的材料和形状最终决定了棱镜的分辨本领。
❖
❖ 分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力．
❖ 则其理论分辨本领R即：
❖ ❖
R
K 级光谱线的色散范围： G 2 K dsin
在此光谱范围内, K 级谱线不会与其它级次谱线重合
注意
光栅都在低级次下使用，色散范围大，一般都在几百nm F-P 干涉仪的使用范围是高级次，色散范围很窄，
=10-3 nm
光栅与棱镜相比
优点
缺点
• 棱镜的工作光谱区受到 材料的限制（光的波长 小 于 120nm ， 大 于 50m时不能用)
（6-6）
❖
❖ 由式（6-6）可知，光栅的分辨本领与划线总数N
和光谱的级数m成正比。
❖
❖ ❖
❖ 单色仪的工作原理可用图6-3所示的反射式单色仪 光路系统加以说明。来自辐射源的辐射束穿过入 射行棱狭光镜P缝束，S投1于后射是，到被经平分抛面解物反为面射不准镜同直M折2反，射射再角镜被的M反单1反射色射进平变入行成色光平散束， 经S2输另出一。抛色物散面棱反镜射P镜与M平3反面射反，射并镜聚M焦2的于出射狭缝
• 单色仪的种类较多，有通用型和专用型之分。主 要性能指标包括如下内容： ① 工作波段范围 ② 线色散率 ③ 光谱宽度或光谱分辨率 ④ 波长重复性 ⑤ 波长准确度 ⑥ 波长扫描速度 ⑦ 物镜视场角等
一、单色仪的特性
色散本领 色分辨本领 色散范围
1.棱镜
色散本领 D d d
m
a
t
单位波长间隔的偏向角差
色分辨本领
和 + 两束透射 光的偏向角之差m
决定于截面宽度 a
由瑞利判据
m
a
棱镜色分辨本领
m
a
t
R am
2.光栅
d s i nK
色散本领 不同波长的同级主极大分开的角距离
由光栅方程
D
K
(radA)/
dcos
D
角色散本领
讨论
d 越小，K 越大，角色散越大
很小，角色散与波长无关
b
dn
d
（6-2）
❖ 图6-2所示为一种具有三角形线槽的反射式
平面衍射光栅，称为闪耀光栅。闪耀光栅
每个缝的平面和光栅平面之间有一个角度θ， 每个缝对入射光产生衍射作用。
图6-2 闪耀光栅的横剖面图
❖ 闪耀光栅主极大的位置服从光栅方程式
❖
m b(sii n sin )
❖
（6-3）
❖ m为衍射级次级，m=0，±1，±2，…b为光栅常 数；i为入射角；φ为衍射角。
第六章红外辐射测量仪器及基 本参数测量
光谱学发展史
• 1、形成阶段：1666年牛顿在研究三棱镜时发 现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。 1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视 窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线 （夫琅和费谱线）。
• 2、研究室和应用阶段：1860年基尔霍夫和本 生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱 仪—光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的， 人们开始研究光栅光谱仪。
❖ 将式（6-3）对λ微分即可求出交色散率dφ/dλ为
❖ ❖
d d
m
b c os
（6-4）
❖ 光栅的分辨本领R也具有式（6-2）的形式， 即
❖
R W d
（6-5）
❖
d
❖ 式中W是有效孔径宽度，W=bNcosφ，其中b是一 条划线的宽度，N是划线总数，φ是衍射角。将式 （6-4）代入上式得
❖
RmN