第六章辐射测量的基本仪器2

1、 单色仪用来将具有宽谱段辐射的光源分单色仪用来将具有宽谱段辐射的光源分成一系列谱线很窄的单色光，因而它既可成一系列谱线很窄的单色光，因而它既可作为一个可调波长的单色光源，也可作为作为一个可调波长的单色光源，也可作为分光器。分光器。 单色仪是利用色散元件单色仪是利用色散元件(棱镜、光栅等棱镜、光栅等)对不同波长的光具有不同色散角的原理，对不同波长的光具有不同色散角的原理，将光辐射能的光谱在空间分开，并由入射将光辐射能的光谱在空间分开，并由入射狭缝和出射狭缝的配合，在出射狭缝处得狭缝和出射狭缝的配合，在出射狭缝处得到所要求的窄谱段光谱辐射。到所要求的窄谱段光谱辐射。 棱镜单色仪以最小偏向角状态工作

2、，此时虽然色散角较小，但整体工作性能较好。 最小偏向角：由入射狭缝出来的单色光入射到棱镜与棱镜射出的光与棱镜两棱边具有有相同或相近的夹角。单色仪工作的谱段范围主要取决于棱镜所用材料及其色散值，棱单色仪工作的谱段范围主要取决于棱镜所用材料及其色散值，棱镜的色散值应尽可能大，镜的色散值应尽可能大， 图6-11 可见谱段色散材料的色散曲线 图6-12 红外谱段色散材料的色散曲线 角散射角散射0dt dnda d主要性能指标：主要性能指标：主要性能指标：主要性能指标：线散射线散射2dldfdd 线色散表示在出射狭缝平面上相邻波长线色散表示在出射狭缝平面上相邻波长分开的程度。由几何关系不难写出分开的程度

3、。由几何关系不难写出f 2是第二物镜的焦距。是第二物镜的焦距。主要性能指标：主要性能指标：光谱分辨率光谱分辨率max0ddnRatddd图图6-13 入射缝宽对像平面上光谱辐照度分布的影响入射缝宽对像平面上光谱辐照度分布的影响 设某光源有两条相邻的谱线，在一定入射缝宽时, 它们在出射缝平面上的 辐 照 度 分 布 如 图 6 -13(a)。当入射缝宽增加时, 两谱线在出射缝平面上像宽度也增加, 入射缝宽增加到一定程度时, 两光谱线的像互相重叠而不能区分(图6-13 (b)。图图6-13 入射缝宽对像平面上光谱辐照度分布的影响入射缝宽对像平面上光谱辐照度分布的影响 如果把入射缝宽逐渐减小，两谱线

4、在出射缝平面上的像宽度也减少，但由于最小像宽由两个物镜的衍射限及缝的衍射限所决定(图6-13(c)，若进一步减少入射缝宽, 只能使像的辐照度降低, 而不能使像宽减小(图6-13(d)。所以要获得最大分辨率，使谱线有满意的辐照度，入射缝宽应使谱线如图6-13(c)。 出射光谱辐照度出射光谱辐照度随入射、出射狭随入射、出射狭缝宽的变化缝宽的变化 当当a =a(图图(a)时，波长时，波长 0、入射狭缝宽像为、入射狭缝宽像为a的光谱能量能全部透过出射狭的光谱能量能全部透过出射狭缝，而波长缝，而波长 0+d 0(设在设在d 0内色散值不变内色散值不变)的光谱能量完全不能由出射狭缝射的光谱能量完全不能由出

5、射狭缝射出，出射狭缝的光谱能量相对透射值为三角形出，出射狭缝的光谱能量相对透射值为三角形(即单色仪出射光谱能量是入即单色仪出射光谱能量是入射狭缝像光谱能量与出射狭缝的卷积射狭缝像光谱能量与出射狭缝的卷积)。同理，当同理，当a a时时(图图(c)，谱段变宽，辐照度增大。，谱段变宽，辐照度增大。 一般认为，单色仪出射的平均光谱宽度一般认为，单色仪出射的平均光谱宽度 是相对透射是相对透射值为最大值一半时所对应的光谱宽度。故当值为最大值一半时所对应的光谱宽度。故当aa时，平均光时，平均光谱宽度谱宽度 不变；而只有不变；而只有a a时，时， 才加宽。才加宽。 在单色仪中，理想情况下要获得最大的光谱分辨率

6、和在单色仪中，理想情况下要获得最大的光谱分辨率和较大的辐照度，应使入射狭缝宽的像等于出射狭缝宽。此较大的辐照度，应使入射狭缝宽的像等于出射狭缝宽。此外，一般单色仪中，两个准直物镜的焦距外，一般单色仪中，两个准直物镜的焦距f 相同，因此，入相同，因此，入射狭缝宽与其像尺寸相同，即射狭缝宽与其像尺寸相同，即a就是入射狭缝的宽度。就是入射狭缝的宽度。1( )( )idLsd/(/)idadl d121( )( ) ( )( ) ( )aa hs dddLfdl 121( )( ) ( )ahsdLf 6.3.2 光栅单色仪 单色仪的构思萌芽可追述到1666年，牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜

7、太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和窗口的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。光栅单色仪是用光栅衍射的方法获得单色光的仪器，它可从发出复合光的光源（即不同波长的混合光的光源）中得到单色光，通过光栅一定的偏转的角度得到某个波长的光，并可以测定它的数值和强度。因此可以进行复合光源的光谱分析。 6.3.2 光栅单色仪 参数参数n光栅的角色散光栅的角色散n线色散线色散 n光谱分辨率光谱分辨率 6.3.2 光栅单色仪 b是光栅相邻刻线之间的距

8、离; N是每毫米光栅的刻线数6.3.2 光栅单色仪 6.3.2 光栅单色仪 每个刻痕的断面都相当于一个小反射镜，把光线反射到预定的方向上，就能使衍射的大部分光能量集中在所需要的某一光谱级次的波段范围内。具有这种特性的光栅称为定向光栅或炫耀光栅。 炫耀光栅的放大截面图如图6-18， 是刻槽的法线和光栅平面法线的夹角(炫耀角)，s是狭缝宽，b是光栅刻线之间间隔。sinsinnis sin()sin()mis 单缝光栅多缝光栅可以看到，单缝衍射的零级位置不一定是多缝衍射的零极在位置。适当选择炫耀角 ，可以使当sini-sin=0时，(6-20)式不为零，波长为的光能都集中在第m级光谱上，且由于b近似

9、等于s，其它级光谱的能量相当少(图6-19)。与炫耀角 对应的在m级光谱能量有最大值的波长称为炫耀波长，记为B。 6.3.2 光栅单色仪 图6-19 炫耀光栅中的光谱能量分布 光栅中光谱不重叠区域叫自由光谱范围。由m(+)=(m+1) 得自由光谱区 /m 炫耀波长B处能量最大。若规定能量下降到炫耀波长处能量的一半时对应两侧的为可用光谱区，则对于第m级炫耀光谱，光谱区的min和max分别为minmax, 1/21/2BBmm引入波数概念： (cm-1)则例例1：要测量0.41.1m谱段的辐射通量，应选什么样的光栅参数？解：解：选m=1，则而0.4m和1.1m的波数分别为25000cm-1和909

10、0cm-1，则 cm-1， m cm-1， m cm-1， m。即选择炫耀波长为0.5867m时，在工作谱段内，都能有较大的输出辐射通量。选光栅N=600线/mm，则b=1/N= 1.667m/线, 2sin=B/b=0.3519, 光栅刻线倾角=108。6.3.2 光栅单色仪 /1maxmin11() , ()22BBmmBm2/ )( , 2/ , 2/3minmaxminmaxBBB250009090170452B0.5867Bmax3255682Bmin185232Bmin0.39min1.17B=550 nm, B=18181.8 cm-1max=27272.7 cm-1, min=

11、366.7 nm,min=9090.9 cm-1, max=1100 nm,6.3.2 光栅单色仪 6.3.2 光栅单色仪 波长(m)minBmax第一块光栅0.60.91.8第二块光栅1.82.75.4第三块光栅5.48.116.21sin0.2252Bb223.662sin2 0.225Bb338.1182sin2 0.225Bbu光源u探测器6.3.2 光栅单色仪 光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时

12、，从S2出射的光由短波到长波依次出现。 6.3.2 光栅单色仪 6.3.2 光栅单色仪 6.3.3 使用单色仪的几个问题n入射狭缝像的弯曲入射狭缝像的弯曲 6.3.3 使用单色仪的几个问题n入射狭缝像的弯曲入射狭缝像的弯曲 n若使出射狭缝和入射狭缝等宽，则出射狭缝上的光谱辐亮度不均匀。当要求出射狭缝光谱辐亮度均匀时，出射狭缝应开得比入射狭缝窄(如图6-20中A-A限定的宽度)。n有些单色仪的入射狭缝本身做成弯曲的形状，其目的也是使入射狭缝像和出射狭缝重合。 6.3.3 使用单色仪的几个问题n杂散光的影响杂散光的影响 n单色仪不可避免地会有内部反射及由于色散元件等表面上的灰尘、光学零件缺陷等造成

13、的散射，使一部分光能不经色散元件而投射在出射狭缝上；色散元件表面的不平，刻线宽度周期性变化等，都会使一部分其它波长的光能散射到出射狭缝上。图6-23画出了一种单色仪的理想光谱透射及其实测曲线。n用双单色仪可大大提高出射光谱的纯度。图6-24 给出的双单色仪是两个单色仪的串接，第一单色仪的出射狭缝是第二单色仪的入射狭缝，于是散射到第一单色仪出射狭缝的非工作波长的光能在经过第二单色仪时，被色散元件偏向第二出射狭缝以外的位置，从而提高了出射光光谱的纯度。n使用相同系统的双单色仪，其光谱分辨率可提高一倍，只是光能经过两级单色仪后，损失增大，故使用时光源应足够强。6.3.3 使用单色仪的几个问题n波长的

14、标定波长的标定n单色仪经过一段时间的使用，由于温度影响、机械结构松动、固有的结构间隙等，使得单色仪的波长刻度往往与实际出射光的波长不能准确地吻合，定期进行波长标定十分必要。n红外单色仪波长标定的过程大致相同，常用已知波长的线光谱灯或一些吸收谱线作为标定源。在近红外、中红外、远红外还用氧化钬等玻璃、聚乙烯或大气水气、二氧化碳等吸收谱线作为标定波长，激光光源也是很好的标定光源。n标定可见谱段的波长时，由于一般谱线较亮，狭缝应尽可能窄(如0.1mm)。 6.3.3 使用单色仪的几个问题n温度对测量的影响温度对测量的影响n温度使材料的折射率发生变化，故仪器工作所在环温度使材料的折射率发生变化，故仪器工

15、作所在环境温度的变化应控制在土境温度的变化应控制在土10 C以内。尤其是红外分以内。尤其是红外分光棱镜，色散小，光谱分辨率低，温度变化引起的光棱镜，色散小，光谱分辨率低，温度变化引起的波长装定误差就更大。波长装定误差就更大。 6.4 分光光度计和光谱辐射计 在光辐射测量中，分光光度计主要用于测量材料光谱反射比或光谱透射比。典型的系统有：n双光束光学自动平衡系统 (Optical null system) n双光束电学平衡系统 (Electrical ratio-recording system) 6.4 分光光度计和光谱辐射计 美国通用电器公司生产的一种由双单色仪系统和工作在零读数下的偏光光度

16、计组成的分光光度计的结构图。 6.4 分光光度计和光谱辐射计 6.4 分光光度计和光谱辐射计 6.4 分光光度计和光谱辐射计 6.4 分光光度计和光谱辐射计 用以测量光源光谱辐射度量的仪器叫光谱辐射计，其基本由比较光路、单色仪和探测显示系统组成。图6-27是贝克曼DK-2R分光辐射计的结构原理图，标准光源和待测光源分别放在两个灯室中，它们发出的光分别经过一石英漫射器(注意：球只是用于固定漫射器，其本身不是积分球)，再经反射镜照在摆动反射镜上；摆动反射镜交替地将来自标准/待测光源的光能引入单色仪；在单色仪的出射狭缝处安装探测器，探测器输出信号的大小与待测光源和标准光源光谱辐强度之比成正比。仪器测

17、量精度在3以内。 图6-27 贝克曼DK-2R光谱辐射计 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 随着光谱技术应用领域的迅速扩大，各种光谱仪器得到越来越广泛的应用。提高光谱分辨率常受到光谱谱段变窄使光谱信号减弱、测量时间增长等的限制，增加精细光谱测量的困难。尤其是红外谱段，近十多年来发展起来的傅里叶变换光谱辐射计(简记作FT辐射计)、哈达玛变换光谱仪等，以光谱分辨率高、信噪比大、测量时间短等一系列优点得到日益广泛的应用。新型光电探测器、信号处理技术以及计算机技术的发展，使傅立叶光谱仪器的应用前景更为广阔，不仅在实验室，而且被广泛用于航空航天的光谱测量仪器。 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 M1 M2 BS

18、 IRS F C D 准直镜 聚光镜 迈克尔逊干涉仪示意 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 6.5 傅立叶变换光谱辐射计 干涉图函数为： 02cos)()(vxdvvExI光源的光谱强度分布为： 02cos)()(vxdxxIvE 连续改变干涉仪的光程差，利用光电元件可以记录干涉仪中射出的可变光辐射通量，得出干涉图函数。对干涉图作傅立叶余弦变换，就可得到任何波数的辐射光强度。 6.5 傅立叶变换光谱辐射计傅立叶变换光谱仪的分辨本领： 如果干涉装置所能达到的最大光程差为xm，则傅立叶变换光谱仪的分辨本领即最小刚能分辨的两谱线的波数差应为=1/2xm当光源不是理想的点光源时，极限分辨率与光源对仪器所张立体角有关。6.5 傅立叶变换光谱辐射计傅立叶变换光谱仪