光谱仪基本知识演示文稿

光谱仪基本知识演示文稿现在是1页\一共有28页\编辑于星期五光谱仪基本知识现在是2页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之棱镜Prismɑi1θi'1i2i'2偏向角θ为：对于一定的入射角，偏向角随折射率n变化。一般地，波长短，折射率大，偏向角θ大。现在是3页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails最小偏向角条件对于单色的入射光，偏向角θ随入射角变化而变化，对于某一个入射角，偏向角存在最小值。ɑi1θi'1i2i'2i1=i'2此时：i'1=i2=α/2θmin=2i1-α根据折射定律和几何关系可以得到最小偏向角条件：现在是4页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails最小偏向角的特点和优势当棱镜工作在最小偏向角时，入射光和出射光是完全对称的，在棱镜内部光线平行于棱镜底边传播。设计棱镜光谱仪器时一般使色散棱镜（对某个中间波长）处于它的最小偏向角位置上进行工作。对称的光路可以使得棱镜产生的相差（球差，像散）最小，使得谱线成像质量好，分辨率高。光路对称时，棱镜不产生附加的横向放大率（针对一个特定波长而言。）可以充分利用棱镜的有效孔径，使得尺寸最小。对称光路方便设计使用。现在是5页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱镜的角色散率根据角色散率定义，在最小偏向角情况下的棱镜角色散率为：增加角色散率的方法：1减小入射角（杂散光影响）2增大折射顶角（全反射限制）3增大材料色散（材料和价格限制）最常用的方法：增加棱镜数目。现在是6页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱镜的分辨率tDlɑD'λ+dλλdθ根据角分辨率公式，有：矩孔衍射决定的最小分辨角为：（最小偏向角情况）实际情况现在是7页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱镜的横向放大率ɑi1i'1i2i'2DD'棱镜非主截面的光谱线弯曲狭缝的像在焦平面上不是一条直线而是一条弯曲的光谱线，弯曲的方向朝向短波方向。原因：非狭缝中心的光线进入棱镜时，不是通过棱镜的主截面，而是在倾斜截面上折射，此时的色散率和偏向角都和主截面上的不同。现在是8页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱镜可用的材料现在是9页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails例子λ=400nmt=5cm熔融石英n=1.47，dn/dλ=1100cm-1重燧石玻璃：n=1.81，dn/dλ=4400cm-1

（考虑一等边棱镜，顶角60度，成像透镜焦距f=100mm）角色散率：线色散率：分辨率：现在是10页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails几种常用的棱镜结构Littrow棱镜Amici棱镜现在是11页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails现在是12页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之光栅

Gratings光栅方程：i和θ在法线的同一侧，两角度符号相同，取正号i和θ在法线的不同侧，两角度符号相反，取负号diθn现在是13页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsm=0，所有波长不分开，没有色散，零级光谱m≠0，对于一定的光栅常数和同样的入射角，同一级次不同波长的光在空间向左右两边分开m>0，正级光谱m<0，负级光谱对于给定光栅的最高光谱级次限制：现在是14页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅的角色散率光栅的角色散率与光栅常数d成反比光栅的角色散率与光谱级数成正比光栅的角色散率与衍射角余弦成反比在靠近法线位置：现在是15页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅的分辨率则波长λ+dλ的第m级主亮条纹：考虑一块理想光栅，入射和衍射光线都位于主截面内，假设为正入射（i=0），则波长λ的第m级主亮条纹：波长λ的第m级主亮条纹外的一阶极小值满足：瑞利判据：现在是16页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅光谱的叠级和自由光谱范围等式左边不变，右边可以是不同级次的不同波长，即这种现象称为光谱的叠级。一个光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段称为自由光谱范围。光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。现在是17页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails闪耀光栅原理：对于闪耀光栅，每个刻痕断面都相当于一个小反射镜，当衍射光线主要集中于反射方向上，能量可以集中在所需要的某一光谱级次的波段范围内。βn'niθβ'ααad闪耀光栅的几何参数a和ɑ需满足一定条件：一、反射方向与需要的衍射方向一致二、光栅零级主极大方向在单缝的负第一衍射级的极小方向上现在是18页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails闪耀波长对于确定的光栅，对于一定的入射角，衍射角的方向与反射方向一致的波长，称为光栅的闪耀波长。此时的衍射角称为光栅的闪耀方向。正如前面所示，此时要满足：我们将刻槽面与光栅平面的夹角α称为闪耀角。上式称为付闪耀条件。此时的光栅方程：一般规定m=1时的波长为闪耀波长λb，则：当i=θ=α时（Littrow装置中），闪耀波长λB为：i=θ=α又称为主闪耀条件现在是19页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails闪耀光栅的效率绝对效率：在给定的光谱级中，衍射光的通量对入射的单色光通量之比。光栅效率一般决定于刻槽的轮廓和密度，而且随波长变化。光栅效率也和入射光的角度以及偏振态有关。有用波长范围的经验公式：闪耀波长处，光栅效率最高，在闪耀波长的两侧效率下降。下降速度随级次增大而加快。效率大于0.4的波长范围才被认为是有效的工作区域。现在是20页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅制作的要求根据理论计算和实际工作：一块用于一级光谱的光栅，它的刻线随机误差和周期误差不应超过光栅常数的1%，累积误差不超过光栅常数的10%。对应用于第m级光谱的光栅，上述误差的许可值将与光栅的光谱级次成反比。例：应用1级光谱的1200L/mm光栅，随机误差和周期误差不大于0.008um，而累积误差要小于0.08um要达到如此高的精度，技术上的难度极大。现在是21页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅的制造方法1、机械刻划精选玻璃毛坯，真空镀膜，刻划槽型，检验3、全息法制造玻璃毛坯精选和加工；涂光致抗蚀剂；曝光；化学处理；真空镀膜2、光栅复制母光栅清洁，真空镀油，镀铝，配制环氧树胶，毛坯清洁，粘接与固化，分离与修正现在是22页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光栅制造中的缺陷伴线刻线间距的偶然的和局部的误差导致谱线轮廓形状复杂化，在较高级次的光谱中，靠近谱线会出现微弱的大多不对称的伴线。伴线相对强度较小时，并不影响分辨率，但是影响谱线轮廓的研究。鬼线是由刻划中的周期性误差引起的，这样会在真谱线两侧产生对称的假谱线。有罗兰鬼线和赖曼鬼线两种。杂散光刻划中的各种局部误差和随机误差，以及光洁度的不足等都会引起杂散光的存在，现在的光栅一般要求杂散光的相对强度小于10-5现在是23页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails常用光栅装置类型Littrow（李特洛）装置类型自准直结构，结构简单，紧凑。狭缝和光栅之间尽可能近。用抛物面镜作反射时，可以没有球差，且慧差最小。谱线弯曲无法消除。杂散光比较多。现在是24页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsEbert-Fastie(艾伯特-法斯梯)装置类型通过扫描光栅来获得不同的波长剩余慧差小。适用于单色仪。光栅尺寸大的时候不能适用。容易产生多次衍射。现在是25页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsCzerny-Turner(切尔尼-特纳)装置类型此装置是Ebert-Fastier装置的改进版，避免了多次衍射，能够适用更大的光栅，还可以更好消除球差。现在是26页\一共有28页\编辑于星期五|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Cr