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光譜儀的工作原理

時(shí)間:2016-09-12      點(diǎn)擊次數(shù):2714

    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*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。
  

 

    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。通過電腦控制可地改變出射波長。
 

   在光譜學(xué)應(yīng)用中,獲得單波長輻射是*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。

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。

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α,則在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zui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。

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