光譜儀基本知識課件.ppt

1、光譜儀器的基本知識A Basic Introduction of Spectrometer Instruments,陳和 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院 Tel：68918398,OPTICS Spectrometer,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,色散元件之棱鏡 Prism,偏向角為：,對于一定的入射角，偏向角隨折射率n變化。 一般地，波長短，折射率大，偏向角大。,|,Creative ways to construct winning e-mails

2、,|,Creative ways to construct winning e-mails,最小偏向角條件,對于單色的入射光，偏向角隨入射角變化而變化，對于某一個(gè)入射角，偏向角存在最小值。,i1 = i2 此時(shí)： i1=i2=/2 min=2i1-,根據(jù)折射定律和幾何關(guān)系可以得到最小偏向角條件：,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,最小偏向角的特點(diǎn)和優(yōu)勢,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稱的，在棱鏡內(nèi)部光線平行于棱鏡底邊傳播。 設(shè)計(jì)棱鏡

3、光譜儀器時(shí)一般使色散棱鏡（對某個(gè)中間波長）處于它的最小偏向角位置上進(jìn)行工作。 對稱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。 光路對稱時(shí)，棱鏡不產(chǎn)生附加的橫向放大率（針對一個(gè)特定波長而言。） 可以充分利用棱鏡的有效孔徑，使得尺寸最小。 對稱光路方便設(shè)計(jì)使用。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-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）

4、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。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,棱鏡的分辨率,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,|,Creative ways to construct winning e-mails,棱鏡的橫向放大率,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

5、縫中心的光線進(jìn)入棱鏡時(shí)，不是通過棱鏡的主截面，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。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,棱鏡可用的材料,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,例子,=400nm t=5cm 熔融石英 n=1.47，dn/d=1100cm-1 重燧石玻璃：n=1.81， d

6、n/d=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 ：,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,幾種常用的棱鏡結(jié)構(gòu),Littrow 棱鏡,Amici 棱鏡,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construc

7、t winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,色散元件之光柵 Gratings,光柵方程：,i和在法線的同一側(cè)，兩角度符號相同，取正號 i和在法線的不同側(cè)，兩角度符號相反，取負(fù)號,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,m=0，所有波長不分開，沒有色散，零級光譜 m0，對于一定的光柵常數(shù)和同樣的入射角，同一級次不同波長的光在空間向左右兩邊分開 m0，正級光譜 m0，負(fù)級光譜,對

8、于給定光柵的最高光譜級次限制：,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-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：,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,光柵的分辨率,則波長+d的第m級主亮條紋：,考慮一塊理想光柵，入射和衍射光

9、線都位于主截面內(nèi)，假設(shè)為正入射（i=0），則波長的第m級主亮條紋：,波長的第m級主亮條紋外的一階極小值滿足：,瑞利判據(jù)：,2020/8/28,16,可編輯,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,光柵光譜的疊級和自由光譜范圍,等式左邊不變，右邊可以是不同級次的不同波長，即,這種現(xiàn)象稱為光譜的疊級。,一個(gè)光譜級中不受其他級次光譜重疊的波段稱為自由光譜范圍。,光譜疊級可以用濾光片和預(yù)色散消除。,|,Creative ways to construct winn

10、ing e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,閃耀光柵,原理：對于閃耀光柵，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次的波段范圍內(nèi)。,閃耀光柵的幾何參數(shù)a和需滿足一定條件：,一、反射方向與需要的衍射方向一致,二、光柵零級主極大方向在單縫的負(fù)第一衍射級的極小方向上,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,閃耀波長,對于確定的光柵，對于

11、一定的入射角，衍射角的方向與反射方向一致的波長，稱為光柵的閃耀波長。此時(shí)的衍射角稱為光柵的閃耀方向。 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稱為閃耀角。上式稱為付閃耀條件。 此時(shí)的光柵方程：,一般規(guī)定m=1時(shí)的波長為閃耀波長b，則：,當(dāng)i=時(shí)（Littrow裝置中），閃耀波長B為：,i=又稱為主閃耀條件,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,閃耀光柵的效率,絕對效率：在給定的光譜級中，衍射光的通量對入射的單色光通量之比。,光柵效率一般決

12、定于刻槽的輪廓和密度，而且隨波長變化。 光柵效率也和入射光的角度以及偏振態(tài)有關(guān)。,有用波長范圍的經(jīng)驗(yàn)公式：,閃耀波長處，光柵效率最高，在閃耀波長的兩側(cè)效率下降。下降速度隨級次增大而加快。 效率大于0.4的波長范圍才被認(rèn)為是有效的工作區(qū)域。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,光柵制作的要求,根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際工作： 一塊用于一級光譜的光柵，它的刻線隨機(jī)誤差和周期誤差不應(yīng)超過光柵常數(shù)的1%，累積誤差不超過光柵常數(shù)的10%。 對應(yīng)用于第m級光譜的光柵，上述

13、誤差的許可值將與光柵的光譜級次成反比。,例： 應(yīng)用1級光譜的1200 L/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。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-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)氧樹膠，毛坯清潔，粘接與固化，分

14、離與修正,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-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，在較高級次的光譜中，靠近譜線會出現(xiàn)微弱的大多不對稱的伴線。 伴線相對強(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，這樣會在真譜線兩側(cè)產(chǎn)生對稱的假譜線。 有羅蘭鬼線和賴曼鬼線兩種。,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引起雜散光的存在，現(xiàn)在的光柵一般要求雜散光的相對

15、強(qiáng)度小于10-5,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,常用光柵裝置類型,Littrow（李特洛）裝置類型,自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊。 狹縫和光柵之間盡可能近。 用拋物面鏡作反射時(shí)，可以沒有球差，且慧差最小。 譜線彎曲無法消除。 雜散光比較多。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,Ebert-Fastie(艾伯

16、特-法斯梯)裝置類型,通過掃描光柵來獲得不同的波長 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。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,Czerny-Turner(切爾尼-特納)裝置類型,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。,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to con

17、struct winning e-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,|,Creative ways to construct winning e-mails,|,Creative ways to construct winning e-mails,如何設(shè)計(jì)一個(gè)光譜儀器,一、明確要設(shè)計(jì)儀器的類型和用途（是單色儀還是光譜儀，用在什么地方，需不需要激發(fā)光源等），調(diào)查研究，確定原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（工作波段，分辨率，色散率等），確定總體方案（選用何種光學(xué)系統(tǒng)，色散系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)）。 二、擬定原理方案，進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算（包括儀器各主要部件參數(shù)計(jì)算，系統(tǒng)方正，誤差計(jì)算，精度分析）。 三、儀器各部件的具體結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)（出各種設(shè)計(jì)的詳圖，編寫技術(shù)文檔，說明書等） 四、部件加工，部件調(diào)試，整體聯(lián)調(diào)，進(jìn)行必要的修改（光學(xué)，電子，機(jī)械結(jié)