光譜儀基礎(chǔ)知識(shí)介紹(卓立漢光)
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(kāi)來(lái),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)揮著大的作用。無(wú)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*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。
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(guò)衍射光柵色散為分開(kāi)的波長(zhǎng)(顏色)。利用每個(gè)波長(zhǎng)離開(kāi)光柵的角度不同,由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過(guò)電腦控制可地改變出射波長(zhǎng)。
一、光柵單色儀重要參數(shù):
1.分辨率:
光柵單色儀的分辨率R是分開(kāi)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
2.色散:
光柵光譜儀的色散決定其分開(kāi)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(jiàn),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(guò)2倍。根據(jù)國(guó)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。
3.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。
4.波長(zhǎng)精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度:
①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。
②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。
③卓立漢光的光譜儀的波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性,其重復(fù)性超過(guò)了波長(zhǎng)精度。
④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。
5.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(guò)效率與F/#的平方成反比,F(xiàn)/#愈小,光通過(guò)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??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。
一、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(jiàn)光范圍,可選擇閃耀波長(zhǎng)為500nm;
3、使用范圍,
4、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。
二、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)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(kāi)。
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)。
三、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) | ||||||
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 |
四、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 |
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