技術(shù)文章

光譜儀知識(shí)介紹

2011-12-26 17:30:23 來源：卓立漢光

光譜儀基礎(chǔ)知識(shí)介紹-卓立漢光公司----(轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處）

什么是光譜儀？光與物質(zhì)相互作用引起物質(zhì)內(nèi)部原子及分子能級(jí)間的電子躍遷，使物質(zhì)對(duì)光的吸收、發(fā)射、散射等在波長(zhǎng)及強(qiáng)度信息上發(fā)生變化，而檢測(cè)并處理這類變化的儀器被稱為光譜儀。因此，光譜儀的基本功能，就是將復(fù)色光在空間上按照不同的波長(zhǎng)分離/延展開來，配合各種光電儀器附件得到波長(zhǎng)成分及各波長(zhǎng)成分的強(qiáng)度等原始信息以供后續(xù)處理分析使用。

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*的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，如何獲得單波長(zhǎng)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（到0.001nm）,自動(dòng)波長(zhǎng)掃描，完整的電腦控制功能極易與其他周邊設(shè)備融合為高性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使用電腦自動(dòng)掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的首選。
當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入單色儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡匯聚成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長(zhǎng)（顏色）。利用每個(gè)波長(zhǎng)離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長(zhǎng)。

●光柵單色儀重要參數(shù)：
◆分辨率
    光柵單色儀的分辨率R是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據(jù)羅蘭判據(jù)為：
                                 R=λ/Δλ
    光柵光譜儀中有實(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(zhǎng)、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)。
                                 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(zhǎng)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(zhǎng)λ的變化，即：
                              Δλ/Δχ=dcosβ/mF
    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，m為衍射級(jí)次。由方程可見，倒線色散不是常數(shù)，它隨波長(zhǎng)變化。在所用波長(zhǎng)范圍內(nèi)，變化可能超過2倍。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在本樣本中，用1200l/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(zhǎng)，從光譜儀輸出的波長(zhǎng)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(zhǎng)精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度
    波長(zhǎng)精度是光譜儀確定波長(zhǎng)的刻度等級(jí)，單位為nm。通常，波長(zhǎng)精度隨波長(zhǎng)變化。
    波長(zhǎng)重復(fù)性是光譜儀返回原波長(zhǎng)的能力。這體現(xiàn)了波長(zhǎng)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(zhǎng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性極佳，其重復(fù)性超過了波長(zhǎng)精度。
    波長(zhǎng)準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長(zhǎng)與實(shí)際波長(zhǎng)的差值。每臺(tái)單色儀都要在很多波長(zhǎng)檢查波長(zhǎng)準(zhǔn)確度。
◆F/#
    F/#定義為焦距(f)與光譜儀內(nèi)有效光學(xué)元件*小通光孔徑(D)的比值。光通過效率與F/#的平方成反比，F(xiàn)/#愈小，光通過率愈高。

關(guān)于光柵

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。

光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。刻劃光柵是用鉆石刻刀在涂薄金屬表面機(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。全息光柵通常包括正弦刻槽。刻劃光柵具有衍射效率高的特點(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

◆如何選擇光柵
選擇光柵主要考慮如下因素：
1、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；

    2、閃耀波長(zhǎng)，閃耀波長(zhǎng)為光柵*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(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)需要波長(zhǎng)附近。如實(shí)驗(yàn)為可見光范圍，可選擇閃耀波長(zhǎng)為500nm；
    3、使用范圍，
    3、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(zhǎng)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(zhǎng)，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*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)于零級(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(zhǎng)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，這就是為什么要加消二級(jí)光譜濾光片輪的意義。
    衍射級(jí)次m可正可負(fù)。
    對(duì)相同級(jí)次的多波長(zhǎng)在不同的β分布開。
    含多波長(zhǎng)的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變α，則在α+β不變的方向得到不同的波長(zhǎng)。

◆倒線色散和光譜帶寬對(duì)照表

光柵刻線數(shù) (g/mm)	倒線色散(nm/mm,@435.8nm)				光譜帶寬（nm,@100μm狹縫）
光柵刻線數(shù) (g/mm)	Omni-λ150	Omni-λ300	Omni-λ500	Omni-λ750	Omni-λ150	Omni-λ300	Omni-λ500	Omni-λ750
2400	2.7	1.4	0.9	0.6	0.27	0.14	0.09	0.06
1800	3.6	1.8	1.1	0.7	0.36	0.18	0.11	0.07
1200	5.4	2.7	1.7	1.1	0.54	0.27	0.17	0.11
600	10.8	5.4	3.4	2.2	1.08	0.54	0.34	0.22
300	21.6	10.8	6.8	4.4	2.16	1.08	0.68	0.44

◆光柵型號(hào)規(guī)格對(duì)照表

型號(hào)	光柵刻線(g/mm)	閃耀波長(zhǎng)(nm)	光柵規(guī)格(mm×mm)	使用范圍(nm)
Omni-λ150 系列用
5-180-H	1800	-	32x32	UV
5-120-300	1200	300	32x32	200-600
5-120-500	1200	500	32x32	330-1000
5-060-500	600	500	32x32	330-1000
5-060-750	600	750	32x32	500-1500
5-030-500	300	500	32x32	330-1000
5-030-1250	300	1250	32x32	800-2500
Omni-λ300/500/750系列用
1-240-H	2400	-	68x68	UV
1-180-H	1800	-	68x68	UV
1-120-300	1200	300	68x68	200-600
1-120-500	1200	500	68x68	330-1000
1-060-300	600	300	68x68	200-600
1-060-500	600	500	68x68	330-1000
1-060-750	600	750	68x68	500-1500
1-060-1250	600	1250	68x68	800-2500
1-030-500	300	500	68x68	330-1000
1-030-1250	300	1250	68x68	800-2500
1-030-1800	300	1800	68x68	1200-3600
1-030-3000	300	3000	68x68	2000-6000
1-006-D	66.6	3140 & 10250	68x68	3000-25000
其他規(guī)格光柵
3-120-300	1200	300	38x50	200-600
3-120-500	1200	500	38x50	330-1000
3-060-1000	600	1000	38x50	660-2000
3-030-1250	300	1250	38x50	800-2500
3-015-500	150	500	38x50	330-1000
3-060-750	600	750	38x50	500-1500
6-120-500	1200	500	30x30	330-1000
7-060-500	600	500	18x18	330-1000