光柵光譜儀原理

什么是光譜儀?根據(jù)光與物質(zhì)相互作用引起物質(zhì)原子、分子內(nèi)部量子化能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生的發(fā)射、吸收、散射波長(zhǎng)或強(qiáng)度變化，檢測(cè)并處理這類變化的儀器被稱為光譜儀。因此，光譜儀的基本功能，就是將復(fù)色光在空間上按照不同的波長(zhǎng)分離/ 延展開來，配合各種光電儀器附件得到波長(zhǎng)成分及各波長(zhǎng)成分的強(qiáng)度等原始信息以供后續(xù)處理分析使用。

光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面，都發(fā)揮著極大的作用。而無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜等，如何獲得單波長(zhǎng)輻射(單色光)是不可缺少的手段。現(xiàn)代單色儀具有很寬的光譜范圍(UVIR)，高光譜分辨率(到0.001nm), 自動(dòng)波長(zhǎng)掃描，完整的電腦控制功能，極易與其他周邊設(shè)備組合為高性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使用電腦自動(dòng)掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的首選。

當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入單色儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡匯聚成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長(zhǎng)(顏色)。利用每個(gè)波長(zhǎng)離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長(zhǎng)。

關(guān)于光柵

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。

光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。刻劃光柵是用鉆石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成;復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息光柵通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

如何選擇光柵

選擇光柵主要考慮如下因素：

1、光柵刻線，光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇;

2、閃耀波長(zhǎng)，閃耀波長(zhǎng)為光柵最大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)需要波長(zhǎng)附近。如實(shí)驗(yàn)為可見光范圍，可選擇閃耀波長(zhǎng)為500nm;

3、使用范圍，光柵的使用的下限通?？烧J(rèn)為是光柵閃耀波長(zhǎng)的一半，上限可認(rèn)為是光柵閃耀波長(zhǎng)的二倍，實(shí)際可參考光柵效率曲線圖;

4、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號(hào)損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。

光柵方程

反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長(zhǎng)相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對(duì)某波長(zhǎng)，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級(jí)次。如圖所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級(jí)次為m，d 為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：mλ=d(sinα+sinβ)。

定義φ 為入射光線與衍射光線夾角的一半， 即φ=(α-β)/2 ;θ 為相對(duì)于零級(jí)光譜位置的光柵角， 即θ=(α+β)/2, 得到更方便的光柵方程：mλ=2dcosφsinθ

從該光柵方程可看出：

對(duì)一給定方向β，可以有幾個(gè)波長(zhǎng)與級(jí)次m 相對(duì)應(yīng)λ 滿足光柵方程。比如600nm 的一級(jí)輻射和300nm 的二級(jí)輻射、200nm 的三級(jí)輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級(jí)光譜濾光片輪的意義。

衍射級(jí)次m 可正可負(fù)。對(duì)相同級(jí)次的多波長(zhǎng)在不同的β 分布開。含多波長(zhǎng)的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變?chǔ)粒瑒t在α+β 不變的方向得到不同的波長(zhǎng)。

審核編輯黃宇