光譜儀基礎(chǔ)知識介紹

光譜儀基礎(chǔ)知識介紹     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，如何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（到0.001nm）,自動波長掃描，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測試系統(tǒng)，使用電腦自動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（顏色）。利用每個波長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。

●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
    光柵光譜儀中有實際意義的定義是測量單個譜線的半高寬(FWHM)。實際上，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)。
                                 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/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)，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，單位為nm。通常，波長精度隨波長變化。
    波長重復(fù)性是光譜儀返回原波長的能力。這體現(xiàn)了波長驅(qū)動機械和整個儀器的穩(wěn)定性。   
    卓立漢光的光譜儀的波長驅(qū)動和機械穩(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)定波長與實際波長的差值。每臺單色儀都要在很多波長檢查波長準(zhǔn)確度。
◆F/#
    F/#定義為焦距(f)與光譜儀內(nèi)有效光學(xué)元件最小通光孔徑(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，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)實驗靈活選擇；
    2、閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點，因此選擇光柵時應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實驗需要波長附近。如實驗為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm；
    3、使用范圍，
    3、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。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為相對于零級光譜位置的光柵角，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：
    對一給定方向β，可以有幾個波長與級次m相對應(yīng)λ滿足光柵方程。比如600nm的一級輻射和300nm的二級輻射、200nm的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級光譜濾光片輪的意義。
    衍射級次m可正可負(fù)。
    對相同級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α，則在α+β不變的方向得到不同的波長。

◆倒線色散和光譜帶寬對照表

光柵刻線數(shù) (g/mm)	倒線色散(nm/mm,@435.8nm)					光譜帶寬（nm,@100μm狹縫）
	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

◆光柵型號規(guī)格對照表

型號	光柵刻線(g/mm)	閃耀波長(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

◆典型光柵效率曲線圖