中階梯光柵技術書籍

中階梯光柵與棱鏡構成的雙單色器中階梯光柵的特點一是每毫米的刻線數目較少，都在100以內；二是以較大的衍射角和較高級數的譜線工作，且多與棱鏡或低色散的光柵構成高色散中階梯光柵單色器°G.R.Harrson開創(chuàng)了這項工作。由前面的光柵的角色散率與分辨率各式可知，在波長一定時，光柵的角色散率與衍射角B、光柵常數d和光譜級次n有關，分辨率取決于光柵的刻線面寬度W和光譜級次n。當衍射角B確定后，用小的光柵常數d（即大的刻線密度）和低譜級次（n小），或者采用大的光柵常數d（小的刻線密度）高譜級次（n大），可以得到相同的角色散率?？s小d，即增加刻線密度是有物理限度的。所以采用大的衍射角B和高譜級次n是增大角色散率的實際有效途徑。至于要提高分辨率，除了要增大衍射角B外，還要增大光柵的刻線面寬度W，因為與分辨率直接相關的通光孔徑A會隨衍射角B的增大而縮?。ˋ=WcosB）。Harrson據此發(fā)明了刻線密度?。ɡ纾?00刻線/mm），主要用于高譜級（例如n等于幾十至一二百）的光柵，并命名為echelle，中文譯名是中階梯光柵。圖1是中階梯光柵示意圖。圖1中階梯光柵示意fitlD.thim圖1中階梯光柵示意fitlD.thim圖2中階梯光柵的色散的重疊多級譜線位于最佳閃耀區(qū)當衍射角B=0時，通光孔徑A=O，此時分辨率雖達到分辨率的理論極限值Rmax，但光柵無法使用。目前，一般的中階梯光柵采用a=B=63。26’（實際上B是有一定角度范圍的），此時，R=O.89Rmax。此外，為了使光柵在B方向有最大的閃耀效率，必須使光柵的閃耀角8=B=a。并且，光柵刻槽的衍射面s須與入射、衍射光譜線垂直，s面的光學平整度要達到1/10干涉條紋（“光圈”），否則不可能使上百級的光譜都有足夠的光強。這就是說，在B方向的閃耀效率很高，只要有一兩度的偏離，閃耀效率就會迅速下降。目前中階梯光柵各級光譜中央的閃耀效率可以達到70%以上（如圖2所示）鬼線強度也只有母線的O.005%以下。中階梯光柵的特點是：a.衍射角B大，由n入=2sinB可知，將不同的入和不同n級的譜線重疊在同一位置；b.這些重疊的譜線都集中在最佳的光柵閃耀區(qū)；c.對中階梯光柵光譜，需用輔助色散元件在垂直方向進行譜級色散，再在水平方向進行波長色散，即可獲得高色散的良好結果。表1列出了3個元素的譜線在不同級數次中的相對強度。表1不同級次中光譜線的相對強度川2波長/rant光譜級次，相對強度*兀素口波長/ran口光譜級次,相對強度皿C&」110^INH驢253.和102^228.如11L」28^+J4438.413^4-1?1陽4+1445酒100^39^X4+J11如5戶4孫H驢253.L+-1489-S42『5加肱」+jfj4100^34^ionq1。"1陽qq4心2"2.中階梯光柵、棱鏡兩次色散一維分光雙單色器用中階梯光柵和棱鏡作色散元件構成的雙單色器分光系統(tǒng)，如圖3所示。這種單色器具有體積小，線色散率高的特點。第一個單色器用中階梯光柵作色散元件，能得到大衍射角高級次角色散率大的譜線。由于眾多衍射級次的譜線分布在很小的角度范圍內，不同級次的譜線發(fā)生重疊較嚴重，第二個單色器將不同級次間重疊區(qū)分離開并對相應級次譜線進行色散。因第二個單色器用了石英棱鏡色散元件，其紫外光譜區(qū)線色散倒數小。如Thermo-Elemental公司M系列原子吸收光譜儀就是采用這種分光系統(tǒng)，其線色散倒數為0.5nm。圖3中階梯光柵、棱鏡兩次色散一維分光光路系統(tǒng)示意3.二維分光工作方式二維分光是指在X軸與y軸兩個方向色散分光，經分光后譜線在二維的焦面上成像。由上述對中階梯光柵工作過程分析可知，對中階梯光柵的色散，再加用輔助的色散元件，在被色散譜線的垂直方向進行色散，即可獲得高色散的良好結果。圖4為中階梯光柵與棱鏡組成的交叉色散（即二維色散）分光過程示意，為簡化問題，只標出了在垂直方向的色散，即不同衍射級次譜線的色散。圖5為多元素同時測定原子吸收光譜實驗裝置中用的中階梯光柵兩次分光交叉色散多色器分光系統(tǒng)，分光系統(tǒng)的焦面為二維譜線圖像，檢測器亦由多個光電倍增管組成的二維陣列。在檢測器陣列與譜線焦面之間經嚴密測算制作的與多條分析波長譜線圖像對應的多個狹縫專用板，分析線的數目多于光電倍增管的數目，專用板也有多塊。工作時根據分析者選定的分析元素，采用相應的專用板，再通過轉動機構將光電倍增管陣列移至分析譜線波長位置。這種固定光學系統(tǒng)，采用更換專用狹縫板和移動光電倍增管的工作方式，不僅免除了要將中階梯光柵和棱鏡十分精確地轉動一個極小角度的困難，還可得到與多道同時測定一樣的精度，而且在接近檢出限工作時也不會找錯譜線。這種交叉色散系統(tǒng)能提供高分辨的二維光譜信息，最先是應用在原子發(fā)射光譜儀器中。圖4為中階梯光柵與棱鏡組成的交叉色散（二維色散）分光過程示意圖5為連續(xù)光源多元素同時測定原子吸收光譜實驗裝置中用的中階梯光柵兩次分光交叉色散多色器分光系統(tǒng)4電子掃描二維分光工作方式由于中階梯光柵經交叉色散后能給出面積較小，并有較寬波長范圍的高分辨率二維光譜，所以人們就容易想到用成像器件來做二維檢測器，最先是用于原子發(fā)射光譜儀器中，如國外若干大分析儀器公司的原子發(fā)射光譜儀器商品都是用紫外增強型CMOS、CCD或CID等半導體圖像檢測器。對原子吸收光譜儀器采用此項先進技術的是SIMAA6000型原子吸收光譜儀，有文獻詳細報道過，采用了具有高分辨率的二維光譜焦面的中階梯光柵分光系統(tǒng)和紫外增強型分段式PDA檢測器。其分光光路和檢測系統(tǒng)如圖6所示，中階梯光柵刻線是79槽/mm，閃耀角63.4o,棱鏡是人造熔融石英，頂角25.15o,成像球面鏡的焦距501mm，面積是120mmxl20mm。線色散倒數是O.1nm/mm（200nm，113級）和O?4nm/mm（800nm，28級）。入射狹縫選用2.3mmX1?Omm時，對于As193.7nm光譜通帶＜0.2nm，Ba553.5nm光譜通帶約為O.55nm。二維光譜線焦面約為50mmX60mm，覆蓋波長范圍190?900nm。半導體圖像體檢測器從日本Hamamatsu定制，專門設計加工成分段式單片檢測器，稱分段式PDA［又稱分段式CMOS-PDA］檢測器］，整個檢測器結構如圖6所示?？商峁┑姆治鼍€數目為：39個主要常用元素的主靈敏線，16條次靈敏線和3條用于波長校正的氖線。關于波長的檢查和校正，使用裝在儀器內的充氖輝光放電燈，由計算機控制一面反射鏡使氖燈發(fā)射光譜線進入光路，用位于圖6左上角的607.43nm［607(A)］和左下角的614.31nm［614(A)］和Zn空心陰極燈的202.55nm［位于圖6右上角的202(A)］三條譜線來進行。此三條譜線處于二維焦面三個重要位置，包羅了全部分析線。具體操作程序是通過在X和Y方向分別在2mm和4mm范圍內掃描，用峰擬合程序測量三條譜線輪廓的半寬度與相對位置°SIMAA型原子吸收光譜儀的這種分光系統(tǒng)，用電子掃描代替了分光元件轉動的