光譜儀基本知識(shí)課件

光譜儀器的基本知識(shí)

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shinianshaTel：68918398OPTICSSpectrometer|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之棱鏡Prismɑi1θi'1i2i'2偏向角θ為：對(duì)于一定的入射角，偏向角隨折射率n變化。一般地，波長(zhǎng)短，折射率大，偏向角θ大。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails最小偏向角條件對(duì)于單色的入射光，偏向角θ隨入射角變化而變化，對(duì)于某一個(gè)入射角，偏向角存在最小值。ɑi1θi'1i2i'2i1=i'2此時(shí)：i'1=i2=α/2θmin=2i1-α根據(jù)折射定律和幾何關(guān)系可以得到最小偏向角條件：光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails最小偏向角的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)當(dāng)棱鏡工作在最小偏向角時(shí)，入射光和出射光是完全對(duì)稱(chēng)的，在棱鏡內(nèi)部光線平行于棱鏡底邊傳播。設(shè)計(jì)棱鏡光譜儀器時(shí)一般使色散棱鏡（對(duì)某個(gè)中間波長(zhǎng)）處于它的最小偏向角位置上進(jìn)行工作。對(duì)稱(chēng)的光路可以使得棱鏡產(chǎn)生的相差（球差，像散）最小，使得譜線成像質(zhì)量好，分辨率高。光路對(duì)稱(chēng)時(shí)，棱鏡不產(chǎn)生附加的橫向放大率（針對(duì)一個(gè)特定波長(zhǎng)而言。）可以充分利用棱鏡的有效孔徑，使得尺寸最小。對(duì)稱(chēng)光路方便設(shè)計(jì)使用。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡的角色散率根據(jù)角色散率定義，在最小偏向角情況下的棱鏡角色散率為：增加角色散率的方法：1減小入射角（雜散光影響）2增大折射頂角（全反射限制）3增大材料色散（材料和價(jià)格限制）最常用的方法：增加棱鏡數(shù)目。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡的分辨率tDlɑD'λ+dλλdθ根據(jù)角分辨率公式，有：矩孔衍射決定的最小分辨角為：（最小偏向角情況）實(shí)際情況光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡的橫向放大率ɑi1i'1i2i'2DD'棱鏡非主截面的光譜線彎曲狹縫的像在焦平面上不是一條直線而是一條彎曲的光譜線，彎曲的方向朝向短波方向。原因：非狹縫中心的光線進(jìn)入棱鏡時(shí)，不是通過(guò)棱鏡的主截面，而是在傾斜截面上折射，此時(shí)的色散率和偏向角都和主截面上的不同。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡可用的材料光譜儀基本知識(shí)|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

（考慮一等邊棱鏡，頂角60度，成像透鏡焦距f=100mm）角色散率：線色散率：分辨率：光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails幾種常用的棱鏡結(jié)構(gòu)Littrow棱鏡Amici棱鏡光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之光柵

Gratings光柵方程：i和θ在法線的同一側(cè)，兩角度符號(hào)相同，取正號(hào)i和θ在法線的不同側(cè)，兩角度符號(hào)相反，取負(fù)號(hào)diθn光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsm=0，所有波長(zhǎng)不分開(kāi)，沒(méi)有色散，零級(jí)光譜m≠0，對(duì)于一定的光柵常數(shù)和同樣的入射角，同一級(jí)次不同波長(zhǎng)的光在空間向左右兩邊分開(kāi)m>0，正級(jí)光譜m<0，負(fù)級(jí)光譜對(duì)于給定光柵的最高光譜級(jí)次限制：光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵的角色散率光柵的角色散率與光柵常數(shù)d成反比光柵的角色散率與光譜級(jí)數(shù)成正比光柵的角色散率與衍射角余弦成反比在靠近法線位置：光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵的分辨率則波長(zhǎng)λ+dλ的第m級(jí)主亮條紋：考慮一塊理想光柵，入射和衍射光線都位于主截面內(nèi)，假設(shè)為正入射（i=0），則波長(zhǎng)λ的第m級(jí)主亮條紋：波長(zhǎng)λ的第m級(jí)主亮條紋外的一階極小值滿足：瑞利判據(jù)：光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵光譜的疊級(jí)和自由光譜范圍等式左邊不變，右邊可以是不同級(jí)次的不同波長(zhǎng)，即這種現(xiàn)象稱(chēng)為光譜的疊級(jí)。一個(gè)光譜級(jí)中不受其他級(jí)次光譜重疊的波段稱(chēng)為自由光譜范圍。光譜疊級(jí)可以用濾光片和預(yù)色散消除。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails閃耀光柵原理：對(duì)于閃耀光柵，每個(gè)刻痕斷面都相當(dāng)于一個(gè)小反射鏡，當(dāng)衍射光線主要集中于反射方向上，能量可以集中在所需要的某一光譜級(jí)次的波段范圍內(nèi)。βn'niθβ'ααad閃耀光柵的幾何參數(shù)a和ɑ需滿足一定條件：一、反射方向與需要的衍射方向一致二、光柵零級(jí)主極大方向在單縫的負(fù)第一衍射級(jí)的極小方向上光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails閃耀波長(zhǎng)對(duì)于確定的光柵，對(duì)于一定的入射角，衍射角的方向與反射方向一致的波長(zhǎng)，稱(chēng)為光柵的閃耀波長(zhǎng)。此時(shí)的衍射角稱(chēng)為光柵的閃耀方向。正如前面所示，此時(shí)要滿足：我們將刻槽面與光柵平面的夾角α稱(chēng)為閃耀角。上式稱(chēng)為付閃耀條件。此時(shí)的光柵方程：一般規(guī)定m=1時(shí)的波長(zhǎng)為閃耀波長(zhǎng)λb，則：當(dāng)i=θ=α?xí)r（Littrow裝置中），閃耀波長(zhǎng)λB為：i=θ=α又稱(chēng)為主閃耀條件光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails閃耀光柵的效率絕對(duì)效率：在給定的光譜級(jí)中，衍射光的通量對(duì)入射的單色光通量之比。光柵效率一般決定于刻槽的輪廓和密度，而且隨波長(zhǎng)變化。光柵效率也和入射光的角度以及偏振態(tài)有關(guān)。有用波長(zhǎng)范圍的經(jīng)驗(yàn)公式：閃耀波長(zhǎng)處，光柵效率最高，在閃耀波長(zhǎng)的兩側(cè)效率下降。下降速度隨級(jí)次增大而加快。效率大于0.4的波長(zhǎng)范圍才被認(rèn)為是有效的工作區(qū)域。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵制作的要求根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際工作：一塊用于一級(jí)光譜的光柵，它的刻線隨機(jī)誤差和周期誤差不應(yīng)超過(guò)光柵常數(shù)的1%，累積誤差不超過(guò)光柵常數(shù)的10%。對(duì)應(yīng)用于第m級(jí)光譜的光柵，上述誤差的許可值將與光柵的光譜級(jí)次成反比。例：應(yīng)用1級(jí)光譜的1200L/mm光柵，隨機(jī)誤差和周期誤差不大于0.008um，而累積誤差要小于0.08um要達(dá)到如此高的精度，技術(shù)上的難度極大。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵的制造方法1、機(jī)械刻劃精選玻璃毛坯，真空鍍膜，刻劃槽型，檢驗(yàn)3、全息法制造玻璃毛坯精選和加工；涂光致抗蝕劑；曝光；化學(xué)處理；真空鍍膜2、光柵復(fù)制母光柵清潔，真空鍍油，鍍鋁，配制環(huán)氧樹(shù)膠，毛坯清潔，粘接與固化，分離與修正光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵制造中的缺陷伴線刻線間距的偶然的和局部的誤差導(dǎo)致譜線輪廓形狀復(fù)雜化，在較高級(jí)次的光譜中，靠近譜線會(huì)出現(xiàn)微弱的大多不對(duì)稱(chēng)的伴線。伴線相對(duì)強(qiáng)度較小時(shí)，并不影響分辨率，但是影響譜線輪廓的研究。鬼線是由刻劃中的周期性誤差引起的，這樣會(huì)在真譜線兩側(cè)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的假譜線。有羅蘭鬼線和賴(lài)曼鬼線兩種。雜散光刻劃中的各種局部誤差和隨機(jī)誤差，以及光潔度的不足等都會(huì)引起雜散光的存在，現(xiàn)在的光柵一般要求雜散光的相對(duì)強(qiáng)度小于10-5光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails常用光柵裝置類(lèi)型Littrow（李特洛）裝置類(lèi)型自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊。狹縫和光柵之間盡可能近。用拋物面鏡作反射時(shí)，可以沒(méi)有球差，且慧差最小。譜線彎曲無(wú)法消除。雜散光比較多。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsEbert-Fastie(艾伯特-法斯梯)裝置類(lèi)型通過(guò)掃描光柵來(lái)獲得不同的波長(zhǎng)剩余慧差小。適用于單色儀。光柵尺寸大的時(shí)候不能適用。容易產(chǎn)生多次衍射。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsCzerny-Turner(切爾尼-特納)裝置類(lèi)型此裝置是Ebert-Fastier裝置的改進(jìn)版，避免了多次衍射，能夠適用更大的光柵，還可以更好消除球差。光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光譜儀器設(shè)計(jì)的基本原則1、保證儀器的各項(xiàng)基本性能2、光學(xué)系統(tǒng)必須能保證工作要求所需的光學(xué)性能3、儀器的最終綜合誤差必須在允許范圍內(nèi)4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，在指定環(huán)境下穩(wěn)定可靠，并有足夠的壽命5、注意制造和裝調(diào)的工藝性，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件6、在設(shè)計(jì)系列化光譜儀器時(shí)，應(yīng)有一統(tǒng)一的基型結(jié)構(gòu)，再根據(jù)不同型號(hào)的特性按模塊組合方式設(shè)計(jì)整個(gè)系列儀器7、改善易用性，講究外形美觀光譜儀基本知識(shí)|Creativewaystoconstruc