光譜儀基礎(chǔ)知識(shí)介紹

光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面都發(fā)揮著極大的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。由于現(xiàn)代單色儀可具有很寬的光譜范圍(UV-IR)，高光譜分辨率(0.001nm)，自動(dòng)波長掃描，完整電腦控制功能，極易和其它周邊設(shè)備配合為高性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使用電腦自動(dòng)掃描多光柵光譜儀已成為光譜研究的首選。

　　在光譜學(xué)應(yīng)用中，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。除了用單色光源(如光譜燈、激光器、發(fā)光二極管)、顏色玻璃和干涉濾光片外，大都使用掃描選擇波長的單色儀。尤其是當(dāng)前更多地應(yīng)用掃描光柵單色儀，在連續(xù)的寬波長范圍(白光)選出窄光譜(單色或單波長)輻射。

　　當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入光譜儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長(顏色)。利用不同波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。

　　光柵基礎(chǔ)

　　光柵作為重要的分光器件，他的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。為更好協(xié)助用戶選擇，在此做一簡要介紹。

　　光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂有金屬的表面上機(jī)械刻劃而成;復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

　　光柵方程

　　反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對(duì)某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級(jí)次。如圖1所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級(jí)次為m，d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：

　　mλ=d(sinα+sinβ)

　　定義φ為入射光線與衍射光線夾角的一半，即φ=(α-β)/2;θ為相對(duì)與零級(jí)光譜位置的光柵角，即θ=(α+β)/2,得到更方便的光柵方程：

　　mλ=2dcosφsinθ

　　從該光柵方程可看出：

　　對(duì)一給定方向β，可以有幾個(gè)波長與級(jí)次m相對(duì)應(yīng)λ滿足光柵方程。比如600nm的一級(jí)輻射和300nm的二級(jí)輻射、200nm的三 級(jí)輻射有相同的衍射角。

　　衍射級(jí)次m可正可負(fù)。

　　對(duì)相同級(jí)次的多波長在不同的β分布開。

　　含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變?chǔ)粒瑒t在α+β不變的方向得到不同的波長。

　　如何選擇光柵

　　選擇光柵主要考慮如下因素：

　　刻槽密度G=1/d，d是刻槽間隔，單位為mm。

　　閃耀波長

　　閃耀波長為光柵最大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)際需要波長附近。如實(shí)際應(yīng)用在可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm。

　　光柵刻線

　　光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇。

　　光柵效率

　　光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號(hào)損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。

　　光柵光譜儀重要參數(shù)

　　分辨率(resolution)

　　光柵光譜儀的分辨率R是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據(jù)瑞利判據(jù)為：

　　R==λ/Δλ

　　光柵光譜儀有實(shí)際意義的定義是測(cè)量單個(gè)譜線的半高寬(FWHM)。實(shí)際上，分辨率依賴于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)等。

　　R∝M.F/W

　　M--光柵線數(shù)　　F--譜儀焦距　　W--狹縫寬度

　　色散

　　光柵光譜儀的色散決定其分開波長的能力。光譜儀的倒線色散可計(jì)算得到：沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長λ的變化，即：

　　Δλ/Δχ=dcosβ/nF

　　這里d、β、F分別是光柵刻槽的間距、衍射角和系統(tǒng)的有效焦距，n為衍射級(jí)次。由方程可見，倒線色散不是常數(shù)，它隨波長變化。在所用波長范圍內(nèi)，改變化可能超過2倍。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在本樣本中，用1200 l/mm光柵色散的中間值(典型的為435.8nm)時(shí)的倒線色散。

　　帶寬

　　帶寬是忽略光學(xué)像差、衍射、掃描方法、探測(cè)器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等，在給定波長，從光譜儀輸出的波長寬度。它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。例如，單色儀狹縫為0.2mm，光柵倒線色散為2.7nm/mm，則帶寬為2.7*0.2=0.54nm。

　　波長精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度

　　波長精度是光譜儀確定波長的刻度等級(jí)，單位為nm。通常，波長精度隨波長變化，本樣本中為最壞的情況。

　　波長重復(fù)性是光譜儀設(shè)定一個(gè)波長后，改變?cè)O(shè)定，再返回原波長的能力。這體現(xiàn)了波長驅(qū)動(dòng)機(jī)械和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性。卓立漢光的光譜儀的波長驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性極佳，其重復(fù)性超過了波長精度。

　　波長準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長與實(shí)際波長的差別。每臺(tái)單色儀都要在很多波長檢查波長準(zhǔn)確度。

　　F/#

　　F/#定義為光譜儀的直徑與焦距的比值。這是對(duì)光譜儀接收角的度量，這是調(diào)整單色儀與光源及探測(cè)器耦合的重要參數(shù)。當(dāng)F/#匹配時(shí)，可用上光譜儀的全部孔徑。但是大多數(shù)單色儀應(yīng)用長方形光學(xué)部件。這里F/#定義為光譜儀的等效直徑與焦距的比值，長方形光學(xué)件的等效直徑是具有相同面積的園的直徑。