光谱仪基本知识

光谱仪器的基本知识ABasicIntroductionofSpectrometerInstruments陈和北京理工大学光电学院[e-mail]：68918398OPTICSSpectrometer|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之棱镜Prismɑi1θi'1i2i'2偏向角θ为：nini11sinarcsinsinarcsin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。'sinsin'sinsin2211iinini''2121iiii|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-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。01didɑi1θi'1i2i'2i1=i'2此时：i'1=i2=α/2θmin=2i1-α•根据折射定律和几何关系可以得到最小偏向角条件：|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-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。•对称光路方便设计使用。|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-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：222sin21sin2ddnddn•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）•最常用的方法：•增加棱镜数目。|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱镜的分辨率tɑ12sin2cosddni根据角分辨率公式，有：矩孔衍射决定的最小分辨角为：10cos2sin2'itDdddntdR（最小偏向角情况）ddntdR31实际情况|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱镜的横向放大率ɑi1i'1i2i'2棱镜非主截面的光谱线弯曲'coscoscos'cos'212112diiidiii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。|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱镜可用的材料|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails例子•λ=400nmt=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）•角色散率：•线色散率：•分辨率：222sin21sin2ddnddn13dnRtdd|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails几种常用的棱镜结构•Littrow棱镜•Amici棱镜|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之光栅Gratings光栅方程：midsinsini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diθn|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsmidsinsinidmsinarcsin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m0，正级光谱m0，负级光谱对于给定光栅的最高光谱级次限制：2sinsinidm2max|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅的角色散率ddθcossinsinmdmid•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cosdmddconstant0dmdd•在靠近法线位置：|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅的分辨率•则波长λ+dλ的第m级主亮条纹：11sinmdmN•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：dmdm'sin•波长λ的第m级主亮条纹外的一阶极小值满足：mdmsin•瑞利判据：mm'1mNdR|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅光谱的叠级和自由光谱范围•等式左边不变，右边可以是不同级次的不同波长，即midsinsin332211mmm•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。1mm1m•光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails闪耀光栅•原理：对于闪耀光栅，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。n'nθα•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'sinsin'midi2sincosmd•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sinsin''iaii2sincosia|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails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。•正如前面所示，此时要满足：2ii•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：2sincosdim•一般规定m=1时的波长为闪耀波长λb，则：2sincosbdi•当i=θ=α时（Littrow装置中），闪耀波长λB为：2sinBd•i=θ=α又称为主闪耀条件coscos22bBBi|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails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。222121bbmm•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。•有用波长范围的经验公式：•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。|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-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。•例：•应用1级光谱的1200L/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。|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-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•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•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|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-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。•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|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails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。|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsEbert-Fastie(艾伯特-法斯梯)装置类型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。|Creativewaystoconstructwinninge-m