（光学工程专业论文）小型光纤光谱仪的研究.pdf

中文摘要 从1 6 6 6 年牛顿通过三棱镜将太阳光分解为七色光开始，光谱仪器的发展已 经走过了数百年的时间，在这期间，光谱仪器的技术一步步走向成熟。如今， 光谱仪器已经成为了以光为中心，集光机电算于一体的精密分析仪器，在现代 科学实验、生物医药、国防、天文等国民经济的诸多领域发挥着越来越重要的 作用。 随着科学技术的发展，在地矿勘探、生物医学、环境检测等领域对光谱仪 器的小型化、轻量化提出了更高的要求。与传统大型光谱仪器相比，小型光谱 仪具有体积小、重量轻、使用灵活、价格较低等优点；同时小型光谱仪可以作 为光电接口设备与光纤探头联合使用，使测量更加方便。因此小型光谱仪的研 究越来越受到重视，成为了目前光谱仪器研制的热点。 本文首先回顾了光谱仪器的发展历史并分析了目前光谱仪器的发展现状和 发展趋势，从色散性光谱仪器的基本组成和原理入手，介绍了其基本特性工作 光谱区、色散率、分辨率、光强度及工作效率。然后分别介绍了色散型光谱仪 器的几个组成部分色散系统、成像系统和接收系统及其特性参数。在理论分析 的基础上，根据分析和比较，选用对称的切尔尼特纳光路系统，用光学设计 软件z e m a x 对该光路的实际情况进行了模拟，并进行了消彗差的优化设计。采用 线阵c c d 作为光电转换器件，其输出信号由单片机进行采集转换和传输。在完成 设计的基础上进行了实验工作，对低压汞灯的特征谱线进行了测量，并对实验 数据进行了分析和标定，得出了较理想的结果。 关键词：小型光谱仪切尔尼特纳系统c c d 探倒器 a b s t r a c t s i n c en e w t o nh a sd i v i d e ds u n l i g h ti n t os e v e n c o l o rr a y , s p e c t r o m e t e rh a s d e v e l o p e da b o u th u n d r e d so fy e a r s d u r i n gt h i st i m e ，t h es p e c t r o s c o p i ct e c h n o l o g y h a sd e v e l o p e dg r e a t l y ：n o w , s p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n th a sd e v e l o p e di n t oo n ek i n do f s o p h i s t i c a t e da n a l y s i si n s t r u m e n t sw h i c h t a k eo p t i c sa st h ec o r ea n di n t e g r a t eo p t i c s ， m e c h a n i s ma n de l e e t r i c i t ya saw h o l e a n di th a sm a d eg r e a td i f f e r e n ti ns u c ha r e a sa s s c i e n t i f i ce x p e r i m e n t ，b i o m e d i c i n e ，n a t i o n a ld e f e n s ea n da s t r o n a ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p s ，w eh a v em o r e r e q u i r e m e n t s a tt h e m i n i a t u r i z a t i o na n dl i g h tw e i g h t i n go fs p e c t r o m e t e ri na r e a so fe x p l o r a t i o ns u r v e y , b i o m e d i c i n ea n de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n ds oo n c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ll a r g e - s c a l es p e c t r o m e t e r , m i n i s p e c t r o m e t e rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c t n e s s ， l i g h t - w e i g h t i n g ，c o n v e n i e n c ea n dl o wp r i c e ；a tt h es a m et i m e ，i ti sm o r ec o n v e n i e n tt o u s ei t p h o t o e l e c t r i ci n t e r f a c et oj o i n tf i b e ro p t i cp r o b e t h u s p e o p l ep u tm o r e e m p h a s i z eo nt h er e s e a r c ho f m i n i s p e c t r o m e t e r f i r s t ，t h i sp a p e rl o o k sb a c kt h ed e v e l o ph i s t o r yo fs p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n ta n d a n a l y z et h ed e v e l o pc i r c u m s t a n c ea n dd e v e l o pt r e n d t h e no nt h e b a s i so ft h e c o n s t r u c t i o na n dp r i n c i p l e so f d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r , t h ep a p e ri n t r o d u c e sd i s p e r s i v e s p e c t r o m e t e r sb a s i cc h a r a c t e r ss u c h a sw o r ks p e c t r a l r e g i o n ，d i s p e r s i v ei n d e x ， r e s o l u t i o n ，l u m i n o u si n t e n s i t ya n dw o r ke f f i c i e n c y s e c o n d ，t h ec o m p o n e n t so f d i s p e r s i v es p e c t r o m e t e rs u c ha sd i s p e r s i v es y s t e m ，i m a g i n gs y s t e ma n dr e c e i v i n g s y s t e ma sw e l la sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ra r ea l s oi n t r o d u c e d t h i r d ，o nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ec h o o s et h es y m m e t r i c a lc z e m y t u r n e ro p t i c a lp a t hs y s t e m a n du s eo p t i c a ld e s i g ns o f i w a r e - - z e m a xt os i m u l a t et h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h e o p t i c a lp a t h ，a n do p t i m i z et h es y s t e mt oe l i m i n a t ec o m aa b e r r a t i o n f o u r t h ，w eu s e l i n e a rc c da sd e t e c t o rt oc o l l e c tt h es i g n a l s t h eo u t p u ti st r a n s f e r r e da n dt r a n s m i t t e d b ym c u a tl a s tw ed oe x p e r i m e n tt om e a s u r et h ec h a r a c t e r i s t i cs p e c t r a ll i n eo fl o w v o l t a g em e r c u r yl a m p a n dt h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e st h a tt h e d e s i g ns y s t e mc a nr e a l i z et h ed e s i g no b j e c t i v e k qw o r d s ：m i n i s p e c t r o m e t e rc z e m y t u r n e rs y s t e mc c d d e t e c t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：莎3 签字日期：妒年，月g 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 靴做作者虢坞 签字日期：跏1 年月彦日 导师躲训张格导师签名：i 彳瑕了 9 签字日期：2 。，月孑日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光谱仪器的发展历史、现状与趋判1 1 【2 l 光谱仪器是一种利用光学光谱的色散原理而设计的光学仪器，所谓光学光 谱是指从远紫外光谱区( 波长极限为1 0 埃) 到远红外光谱区( 波长极限为1 毫 米) 的整个波段。光谱仪器是通过研究、测试物质的光谱来分析物质化学组成 及其含量的重要分析仪器。我们的祖先最早通过天上的彩虹对光开始有了认 识。从1 6 6 6 年英国物理学家牛顿通过棱镜将太阳光分解成为红、橙、黄、绿、 青、蓝、紫开始，在这几百年的时问里，随着科学技术的不断发展，光谱仪器 也一步步走向成熟并开始在各行各业发挥起了重要的作用。总的来看，光谱仪 器的发展经历了以下四个阶段： ( 1 ) 光谱仪器的形成阶段( 1 6 6 6 年至1 8 5 9 年) 1 6 6 6 年，牛顿通过三棱镜将太阳光分解为七色光并通过同样的三棱镜将其 重新组合为“自光”的实验p j ，建立了光谱学的实验基础。1 8 0 2 年沃拉斯顿用 狭缝代替了牛顿分光装置中的圆孔，急速提高了光谱仪的分辨率。到1 8 5 9 年夫 琅和费为了研究金属的光谱制造出了世界上第台使用的光谱仪器。经过两百 年的发展，逐渐形成了现代光谱仪器的基础。 ( 2 ) 光谱仪器作为实验室研究工具的阶段( 1 8 5 9 年至1 9 2 8 年) 1 8 5 9 到1 8 6 2 年闻，克希霍夫和本生利用自己的光谱仪器，建立了光谱分 析的初步基础，提出各种物质在一定条件下具备了自己的特殊光谱，因此后人 把1 8 6 0 年成为光谱分析的诞生纪年。由于棱镜的线色散率是非线性的，在此期 间人们开始转向将衍射光栅作为色散元件的研究，1 8 8 2 年罗兰发明了凹面光 栅，简化了光谱仪结构并提高了其性能。2 0 世纪开始，在酱朗克、波尔、德布 罗意、薛定谔等学者的努力下，建立了量子力学理论1 4 】，成为了光谱学的的强 有力的理论基础。 ( 3 ) 光谱仪器在工业中应用的阶段即光谱仪器制造工业的形成和发展阶段 ( 1 9 2 8 至1 9 4 4 年) 在克拉赫等进行的一系列研究工作使定量光谱分析方法基本建立起来之 后，光谱分析成为了工业的分析方法，光谱仪器得到了迅速的发展。1 9 2 8 年德 第一章绪论 国蔡司厂开始设计制造中型石英光摄谱仪，此后美国、英国、苏联等国也先后 开始了同类型仪器的研制。随着科技和工业的发展，棱镜光谱仪的缺点越来越 明显，光栅光谱仪开始了发展，随着光栅刻划技术的改善和光栅复制技术的采 用，商品光栅光谱仪的制造和应用得到了很大的发展【5 】。 ( 4 ) 光谱仪器实行光电化、自动化和发展新阶段( 1 9 4 4 年以后) 随着电子技术和光电技术的发展，光谱仪开始实现光电化，提高了工作速 度和分析精度，而且便于实现自动化。1 9 4 4 年赫斯特和狄特第一次介绍了一种 光电直读光谱仪 6 1 ，到本世纪五六十年代光电光谱仪器已经形成了完善的系 列。随着全息光栅和中阶梯光栅的出现，使光谱仪器发展更快，应用范围更加 广泛。为了不降低光谱仪器的分辨能力，同时又要提高光强，这样采用空间色 散原理的光谱仪器就不能适应了，于是采用干涉原理分光的的光谱仪器就应运 而生。目前所使用的光谱仪器也主要是基于物质色散、多缝衍射、多光束干涉 这三种原理j 。 在光谱仪器分光原理发展的同时，随着电子技术和电子计算机技术的迅猛 发展，光谱仪也整体朝着高精度、自动化、智能化的方向发展。其接收系统由 最初的目视系统和摄谱系统发展到光电系统，光电接收器件也经历了由单一接 收器件到探测器阵列的发展；对光谱信号的测量分析从静态到动态；从目视观 测、摄谱对比到计算机进行模式识别，光谱仪器一步步走向成熟和完善，操作 也越来越方便。 如今光谱仪器已经成为以光为中心，集光机电算于一体的精密分析仪器， 在科学技术和国民生产的诸多领域发挥着重要的作用。光谱仪器被广泛的用来 研究物质的辐射，光与物质的相互作用，物质的结构及其能级的变化，进行物 质的定性和定量的光谱分析。例如在冶金行业中对钢水进行成分分析；在食品 工业中分析食品的金属杂质，维生素的含量；在生物、医学中分析微量元素和 大分子结构；在物理学中研究分子和原子的能级分布和精细结构；在天文学中 测量星体的大小、质量、温度、运动速度和方向等。 现代科学技术的发展速度越来越快，在很多研究和应用领域对光谱仪器提 出了更高的要求。一方面是要求具有更高精度、更大测量范围的光谱仪器；另 一方面在地质矿藏探勘、环境监测等领域迫切需要一种小型化、智能化、性能 稳定可靠、功耗小、电压低、使用方便灵活、性能价格比高、且能快速、实 时、直观的获取光谱信号的微小型光谱仪。目前世面上所有广泛使用的光谱仪 虽然具有较高精度，但普遍存在体积大、价格昂贵、安装调试困难、使用条件 苛刻等不足，因此，研制在性能上满足应用要求，同时又能达到光谱仪器的小 型化、微型化目的的小型光谱仪便成了现在世界各国的研究热点，这是目前光 第一章绪论 谱仪器发展的重要趋势之一【8 】【9 】【1 0 1 。 由于通信技术对光纤的需求大大增长，从而开发了低损耗的石英光纤，同 时光纤技术也大量的被用于测量、传感等应用领域，在这些领域常常会需要对 光谱进行分析。将光纤用于光谱仪中，把样品产生的信号光传导到光谱仪的光 学平台中，就产生了光纤光谱仪。由于光纤的耦合技术现在已经比较成熟，所 以可以很方便的搭建起由光源、取样附件和光纤光谱仪组成的测量系统。 1 2 国内外小型光纤光谱仪发展现状 微小型光谱仪的实现可以应用多种技术，包括目前发展比较迅速的微细加 工技术( 例如m o e m s 、u g a 技术) 和应用二元光学和集成光学光波导技术等 制造技术。目前国内外有报道的微小型光谱仪按照工作模式，主要包括以下几 类：采用新型滤光技术的微型光谱仪【1 1 1 ，基于调制原理的微型光谱仪【1 2 1 ，二元 光学微型光谱技术【1 3 】，基于集成光学波导技术的微型光谱仪【“】，基于光栅分光 的微型光栅光谱仪。下面主要介绍几种采用光栅分光的微小型光纤光谱仪。 美国的o c e a no p t i e s 公司利用光纤的传光性能，推出了一种掌上光纤光谱 仪【1 5 】，它使光谱仪器脱离了样品池，利用光纤探头把远离光谱仪的样品光谱源 引入，进行光谱测量和分析。采用c z e m y - t u m e r 系统的变形形式，包括两片球 面反射镜和一块平面反射光栅。如图1 1 所示，被测光从光纤导入，经反射准 直镜准直、平面反射式光栅分光、反射式成像物镜聚焦后，由c c d 探测器进行 探测。该方案的特点是光学元件都采用反射式，可在一定程度上减少象差，并 使工作光谱范围不受材料特性的影响。其可测量的光谱范围为2 0 0 n m 一1 0 5 0 n m 。 若使用1 2 0 0 线m m 的光栅，1 0 0 _ 埘的光纤芯径时，分辨力为2 5 n m 。 b 掰 览一王 竟瓣一舶) o 图1 1o c e a no p t i c s 公司光纤光谱仪结构示意图 第一章绪论 荷兰的a v a n t e s 公司的微小型光谱仪c c d 和光电二极管阵列探测器【l ”，可 以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅，测量速度快，可以用于在线分 析。该公司的a v a s p e e 系列光谱仪采用对称式c z e r n y - t u m e r 光学平台设计，如 图1 2 所示，焦距有4 5 m m 和7 5 m m 两种。信号光由光纡接口进入光学平台，经 一个球面镜准直，然后由一块平面光栅分光，经由第二面球面镜聚焦到一块线 性探测器阵列上。在不同的器件参数条件下其分辨率不同，例如a v a s p e c 2 0 4 8 光谱仪在采用6 0 0 线m m 的光栅，5 0 z m 宽度的狭缝时，分辨率为1 2 r i m 。 图1 - 2a v a s p e e 光谱仪光学平台设计图 美国a m e r i c a nl a u b s e h e r 公司推出的微小型光谱仪【1 7 】利用反射式凹面光栅 作为分光元件，如图1 3 。该方案设计巧妙，充分利用了反射式凹面光栅既是色 散元件，又是成象系统这一特点，使该系统结构十分简单，仅由一个作为光输 入的光纤、一个反射式凹面光栅、一个4 5 。的反射镜和一个光电二极管阵列构 成。由光纤入射的光经凹面光栅色散后一级光谱经4 5 。的反射镜后聚焦成像于 光电二极管阵列上。这种微型光谱仪的光谱范围是3 8 0 7 8 0 n m ，尺寸大小为 1 4 m i n x 2 3 r a m , 光栅闪耀波长为5 6 0 n m , 分辨率与入射光纤的芯径有关，当采用芯 径5 0 1 2 5 脚的光纤时分辨率可达7 7 , 扫描时间4 0 2 6 0 m s 。 图1 - 3l a u b s c h e r 公司的小型光纤光谱仪方案 第一章绪论 重庆大学光电工程学院设计了一种混合集成微型光纤光谱仪i l ”，结构见图 1 4 。其光学部分由入射光纤、凹面光栅和平面反射镜组成。采用凹面光栅具有 对被检测光进行分光和成像的功能，避免了采用平面光栅时的准直透镜和成像 透镜。合理的设计凹面光栅可以在不采用附加光学元件的情况下实现成像谱面 的平直，还能减小系统像差、提高成像系统质量。该结构具有简单紧凑、光学 面少、体积小、光能利用率高、便于系统的一体化混合集成等特点。在采用芯 径5 0 9 m 的多模光纤时，光谱分辨率为1 3 8 r i m , 在采用芯径9 皿单模光纤时 分辨率可达到5 5 n m o 图1 - 4 重庆大学的小型光纤光谱仪结构 从以上小型光纤光谱仪的研究现状可以看出，其分光原理与传统光谱仪并 无多大区别，主要是采用光栅分光和干涉分光两种，但更多的是采用光栅分 光。采用光栅作为分光元件，其优点是系统结构简单，通常为光栅、成像元 件、探测器组成。但以光栅作为分光元件有进光量小、光能利用率低、光谱重 叠等缺点，必须在结构设计中加以充分考虑并设法克服。若采用干涉分光的办 法便可以较好的解决光栅分光的缺点，然而却会增加系统的复杂度，使研制难 度加大，成本提高。 1 3 本文的研究意义 传统的一般光谱仪器，存在着体积、重量过大、对工作环境要求苛刻等因 素，较难进行在线实时测试和监控1 9 j 。与之相比，微小型光谱仪由于尺寸等因 素的限制，虽然在分辨率等参数上有一定的降低，但是具有结构紧凑、体积 小、质量轻、功耗低、性能稳定、使用方便灵活、价格低廉、便于批量生产等 第一章绪论 优点。和传统光谱仪相比，微小型光谱仪在结构上坐了很多调整和改动【2 0 】。首 先，由于制作上的困难，接近实用化的微型光谱仪大都是无透镜系统。有的采 用反射式准直和成像系统，也有的取消了成像系统；其次，由于光学传感技术 的发展，微型光谱仪主要作为光电接口设备和光纤探头联合使用。光纤探头一 方面起着入射狭缝的作用，直接影响着微型光谱仪的分辨率和光通量；另一方 面可使用特殊滤波装置，弥补微型光谱仪分光不足的弱点。 小型光谱仪易于实现模块化，如果性能可以达到或接近目前使用的仪器性 能，则其应用潜力巨大。同时其可采用新型光电接收器件，可以进行实时及多 通道分析，加上它具有的二次开发性能，更加拓展了其应用领域。微小型光谱 仪可以广泛应用于医疗、生物、食品、光纤传感、航天等诸多领域。例如血红 素检测、荧光探测、测量食物是否变质、毒气报警等等。从目前发展现状来 看，国外已有部分小型光纤光谱仪的产品，但价格昂贵；国内的小型光纤光谱 仪基本还处于研制阶段，而且性能相对较低。为了使得这种具有潜力的产品真 正走向实用化，还有很多研究工作有待进行 2 h 。 综上所述，小型光谱仪作为一种典型的专用微小型仪器已经成为光谱仪器 未来发展的重要趋势之一。对采用光纤传导信号光的小型光纤光谱仪的研究可 以拓展光谱仪的应用范围，使之能更灵活方便的使用在不同的环境下，为分析 领域提供更有效的工具，为专用小型仪器的研制开辟新的制造途径，具有重大 的科学技术意义和巨大的市场潜力。 1 4 论文的主要工作 为研制出接近实用化的小型光纤光谱仪，本文所做的主要工作有： ( 1 ) 在系统分析色散型光谱仪器的工作原理和主要特性的基础上，对其各 主要组成部分进行深入讨论，分析光栅的衍射效率、光谱仪器成像系统的象差 设计等。并分析影响光谱仪性能的结构参数与光谱带宽、分辨率、光强之间的 关系。 ( 2 ) 在考虑国内9 1 d 型光纤光谱仪方案的基础上，结合上述色散型光栅光 谱仪的理论分析，选用对称式的切尔尼特纳系统作为系统的光路方案，并进 行优化设计。利用z e m a x 光学设计软件对该光路方案进行了模拟，分析了光线 经由该光路后在像面上的光斑大小以及相关的像差等问题。 ( 3 ) 设计了一种采用线阵c c d 器件对信号进行处理的电路。分析了c c d 的性能参数，完成了产生c c d 驱动脉冲的c p l d 设计。利用单片机对c c d 信 第一章绪论 号进行采集和a d 转换，编写了利用c p l d 产生的同步信号使用该单片机进行 a d 采集的程序。 ( 4 ) 根据系统设计搭建光路，设计实验，用该系统对低压汞灯的光谱进行 分析，得出其光谱曲线，分析使用这种方案进行光谱测量的具体特性参数，如 分辨率、光谱范围等。并指出该方案所存在的不足以及进一步研究的方向。 1 5 本章小结 光谱仪器作为一种重要的分析仪器，在国民经济的诸多方面都得到了广泛 的应用。本章在回顾了光谱仪器的发展历史的基础上，分析了光纤光谱仪的发 展现状。现在广泛使用的光谱仪器虽然精度较高，但是体积过大，对环境要求 较高且价格昂贵，小型光谱仪作为一种典型的专用微小型仪器已经成为光谱仪 器未来发展的重要趋势之一。通过这些分析，明确了研究目的，并且由此确定 了本文的研究内容。 第二章光栅色散型光谱仪器原理 第二章光栅色散型光谱仪器原理 2 1 色散型光谱仪原理和基本特性 光谱仪器按照其分光原理的不同，可以分为空间色散型和调制型，本章主 要分析基于空间色散原理的光谱仪器原理。 2 1 1 色散型光谱仪器基本原理及其基本结构 任何空间色散型光谱仪的工作原理都可以用图2 1 所示的结构简化表示。由 照明系统、分光系统、接收系统三部分组成。 c o l h 嘲皤细咖 x z 弧蝴血t 胛| p t 蜥mr c i v 傩 图2 1 色散型光谱仪器基本工作原理不意图 光源可以是研究的对象，也可以作为研究的工具照射被研究的物质1 7 j 。一 般来说，研究发射光谱如气体火焰、电弧、电火花时，光源是研究对象；而研 究吸收光谱、荧光光谱时，光源是照射工具，为了提高照明系统的光强度，需 要设计光学聚焦系统( 照明系统) 。 分光系统是任何光谱仪的核心部分，它一般是由准直系统、色散系统、成 像系统三部分组成。如上图所示，光源处发出的光经过准直物镜，变成平行光 束射入色散元件，由于色散元件的作用使进入的单束复合光分解为多束单色 光，再经过成像物镜按照波长的顺序成像于透镜焦平面上。此时，单束的复合 第二章光栅色散型光谱仪器原理 光经过分光系统后就变成了若干个单色光的像。这就是目前广泛应用的色散型 光谱仪器分光系统的基本原理。这种色散原理是按光谱的波长顺序( 对于光栅 光谱，其光谱排列还与波长级次有关) 而空间分离。棱镜光谱、光栅光谱和非 调制的干涉光谱都是空间分离光谱。 光谱仪器的第三组成部分是接收系统，它的作用是测量光谱组成部分( 光 谱线、光谱带和连续光谱) 的波长和强度，从而获得被研究物质的参数如物质 的成分及含量以及物质的温度、星体的运动速度等等。光谱一起的接收系统包 括光谱的接收、处理和显示。光谱的接收元件都是与分光系统连接在一起的， 而光谱的处理和显示往往是与分光系统分开的，在许多情况下，它是单独的一 种设备，光谱的接收、处理和显示已经成为光谱仪器的不可分割的部分。光谱 仪器的接收系统可以分为目视系统、摄谱系统和光电系统。经典光谱一起根据 设计需要可以选择其中一种，但干涉调制光谱仪器只能采用光电接收系统。 2 1 2 光谱仪器的基本特性 光谱仪器的基本特性主要是：工作光谱区、色散率、分辨率、光强度及工 作效率等。 ( 1 ) 工作光谱区 工作光谱区是指光谱一起所能记录的光谱的波长范围。它主要决定于仪器 中光学零件的光谱透射率或反射率，以及所采用的探测系统的光谱灵敏度界 限。对玻璃棱镜光谱仪来讲，其工作光谱范围为4 0 0 n m 1 0 0 0 n m ，大于1 0 0 0 n m 的 波长范围应用红外晶体材料制造光学零件，小于4 0 0 n m 的波长范围要用石英或 萤石材料。对光栅光谱来讲，改变光栅表面内反射膜层的光谱反射率，反射式 光栅可以应用在整个光谱光学区。光电倍增管的光谱灵敏度界限只能至l j 8 5 0 n m 左右，c c d 探测器光谱响应也有限度，对于红外波段，一般采用i n o a a s 探测器 或热电元件。 ( 2 ) 色散率 色散率表示从光谱仪器到色散系统中射出的不同波长的光线在空彼此分开 的程度，或者会聚到焦平面上时彼此分开的距离。前者用称为色散率，后者称 为线色散率。色散率是一种纯数学的概念，它只能作为研究分辨率的前提，但 是由于实际分辨率与多种因素有关，且与理论分辨率有较大的差别，所以在某 些场合用色散率能比较清楚的说明问题。 角色散率表示两不同的波长彼此分开的角距离。设伊为衍射角，则角色散 率可表示为： 第二章光栅色散型光谱仪器原理 生 ( 2 1 ) 以 角色散率的单位是r a d n m ，其大小主要决定于色散系统的几何尺寸和它在 仪器中的安放位置。 线色散率表示不同波长的两条谱线在成像系统焦平面上彼此分开的距离， 因此它与暗箱物镜的焦距厶有关，设玎为焦面相对于垂直平面的倾斜角，接 为相距d 2 的两条谱线在成像面上分开的距离，则线色散率可表示为： 竺：生 ( 2 2 ) d a d 2c o s 盯 ( 3 ) 分辨率 分辨率是表明光谱仪器分开波长极为接近的两条谱线的能力，这是光谱仪 器极为重要的性能指标。 在讨论色散率时，我们没有考虑光谱线是有宽度的。色散率只告诉我们两 个波长分离的角度或距离，而两条谱线是否能分辨，不仅决定于仪器的色散 率，而且还和这两条谱线的强度分布轮廓及其相对位置有关，也与接受器的灵 敏度有关，如接收系统的灵敏度大于合成轮廓的最大值与最小值之强度差，则 这两条谱线是能分辨的。谱线的轮廓也是一个复杂的函数，它与谱线的真实轮 廓、光谱仪器的照明状态、光学系统的象差、接收器的灵敏度等均有关系。 由于实际分辨率的问题很复杂，通常用瑞利( r a y l i e g h ) 提出的仅考虑衍射 现象的分辨率理论分辨率加以讨论。瑞利认为，当两条强度分布轮廓相同 的谱线的最大值和最小值相重叠时，它们能够分辨伫2 1 ，如图2 2 。该准则基于两 个前提：假设有两条谱线通过光谱仪器后，其强度分布轮廓完全相同；假 设接收器的灵敏度大于或等于2 0 ，这个假设接近于人眼的灵敏度。事实上， 入眼的灵敏度为1 0 2 0 ，感光板的灵敏度为5 ，而光电接收器一般小于5 。 图2 - 2 瑞利准则示意图 根据瑞利准则，设觑为光谱仪所能分辨的两条谱线的最小波长间隔，则理 第二章光栅色散型光谱仪器原理 论分辨翠旯为： 胄：尝(2-3) 磁 根据矩孔衍射的作用，每一谱线的衍射宽度用角度来表示为： a o o2 云( 2 - 4 ) 式中a 为孔径光阑宽度，也就是色散元件在色散平面内的有效孔径宽度，如图 2 3 所示。 图2 - 3 色散元件的有效孔径 两条波长差为觑的谱线，经过光谱仪色散后的角距离： 抬一a 。o a ；t ( 2 5 ) l 按瑞利准则可知当d o 。= 6 吼时两条谱线恰可分辨，有： 兰：塑觑 a 。d 2 r ：三：塑( 2 6 ) 8 2 , d 2 由上式可看出，光谱仪器的理论分辨率为色散元件的角色散率与有效孔径 在色散平面内宽度的乘积。 ( 4 ) 光强 光强是表示光谱仪器传递光能量的本领，即表明辐射光源的光谱亮度和光 谱仪器直接测得的光度数值之间的关系。根据接收器件的不同分为两类，一类 接收光的照度e 。一类接收光能量中。摄谱仪器的光度特性用“照度光强度” 表示；光电光谱仪和看谱仪的光度特性用“光通量的光强度”表示。 设狭缝宽度和高度分别为口，和b ，它的象的宽度和高度为a 2 和b 2 ；色散元件 的有效光束断面蹄s ；，为光谱仪的角放大率即在子午面的放大率i ，= s 萏。 根据惠更斯原理，其狭缝可以看作是一个光源，因此： g 中= b b l a l 告 ( 2 7 ) j l 矗为入射光亮度，五为准直物镜的焦距，必须指出，只有光谱仪器照明系统的通 光尺寸不影响准光管的通光时，上式才是正确的。 第二章光栅色散型光谱仪器原理 在忽略衍射和象差的作用时，狭缝象的面积为： 口2 b l = q6 i 嬖上 ( 2 8 ) j i t 7 , 0 8 0 a 为焦面对垂直面的倾斜角，因此光谱的照度e 为： e ：旦：r b 曼竺墅 ( 2 9 ) a 2 b 2力y r 为光学系统的透过率，将 ，代入，并将方孔化为圆孔有： 占：兰谚娶c o s 盯( 2 1 0 ) a 1 ； 伤为暗箱物镜的孔径。可以看出，照度与暗箱物镜的平方、光学系统的透过率 和焦面对垂直面的倾斜度成正比。因此可以利用增大暗箱物镜的相对孔径( 一 般增大暗箱物镜的相对孔径的主要途径是缩短焦距) 、提高系统透过率、减少 焦面倾斜度来提高系统光强。 ( 5 ) 工作效率 光谱仪器的工作效率是它记录光谱的精度和速度的综合指标。这里所指的 精度包括记录光谱波长的精度和光谱强度的精度，它和一起的光强度、色散 率、分辨率等因素有关。 记录光谱的速度是指从开动仪器到获得最后的测量分析结果的时间。对于 摄谱仪而言可能是几个小时，而近代的光电摄谱仪只需几分钟、几秒钟甚至更 短。 从狭义而言，一般把光谱仪器的分辨率和光强度的乘积作为比较不同仪器 工作效率的系数刁，即： r = 即 ( 2 一1 1 ) 式中r 为光谱仪的分辨率，p 为光谱仪的光强度。 2 2 色散型光谱仪中的色散元件 2 2 1 色散型光谱仪中的几种色散原理 色散系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。经典光谱仪所采用的色散 系统，按其作用原理可以分为： ( 1 ) 物质色散：不同波长的辐射在同一介质中传播的速度不同，因而折射 率不同，如光谱棱镜。 ( 2 ) 多缝衍射：不同波长的辐射在同一入射角条件下入射到多缝上，经衍 第二章光栅色散型光谱仪器原理 在忽略衍射和象差的作用时，狭缝象的面积为： 口2 b l = q6 i 嬖上 ( 2 8 ) j i t 7 , 0 8 0 a 为焦面对垂直面的倾斜角，因此光谱的照度e 为： e ：旦：r b 曼竺墅 ( 2 9 ) a 2 b 2力y r 为光学系统的透过率，将 ，代入，并将方孔化为圆孔有： 占：兰谚娶c o s 盯( 2 1 0 ) a 1 ； 伤为暗箱物镜的孔径。可以看出，照度与暗箱物镜的平方、光学系统的透过率 和焦面对垂直面的倾斜度成正比。因此可以利用增大暗箱物镜的相对孔径( 一 般增大暗箱物镜的相对孔径的主要途径是缩短焦距) 、提高系统透过率、减少 焦面倾斜度来提高系统光强。 ( 5 ) 工作效率 光谱仪器的工作效率是它记录光谱的精度和速度的综合指标。这里所指的 精度包括记录光谱波长的精度和光谱强度的精度，它和一起的光强度、色散 率、分辨率等因素有关。 记录光谱的速度是指从开动仪器到获得最后的测量分析结果的时间。对于 摄谱仪而言可能是几个小时，而近代的光电摄谱仪只需几分钟、几秒钟甚至更 短。 从狭义而言，一般把光谱仪器的分辨率和光强度的乘积作为比较不同仪器 工作效率的系数刁，即： r = 即 ( 2 一1 1 ) 式中r 为光谱仪的分辨率，p 为光谱仪的光强度。 2 2 色散型光谱仪中的色散元件 2 2 1 色散型光谱仪中的几种色散原理 色散系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。经典光谱仪所采用的色散 系统，按其作用原理可以分为： ( 1 ) 物质色散：不同波长的辐射在同一介质中传播的速度不同，因而折射 率不同，如光谱棱镜。 ( 2 ) 多缝衍射：不同波长的辐射在同一入射角条件下入射到多缝上，经衍 第二章光栅色散型光谱仪器原理 射后其衍射主极大的方向不同，如光栅。 ( 3 ) 多光束干涉：一束包含各种波长的辐射在平板上被分割成多支相干光 束，根据干涉光束互相加强的条件，各波长的干涉极大值位于空间上不同点， 如法布里一珀罗干涉仪。 ( 4 ) 干涉调制色散：这是一种非空间的色散作用，光波的频率是很大的， j f f 用干涉的方法能成功的调制光学波段的光频，同时这个调制频率与光波的频 率是函数关系，这就是干涉调制色散作用。 任何色散系统的基本特性是：角色散率、理论分辨率、透过率或反射率或 集光率。前两个参数在前面已经简要介绍。第三个参数，对于透射元件称透过 率，对于反射元件称反射率，对于反射式光栅称集光率，统称为光的能量传递 本领，直接影响光强，是光谱仪器的一个重要指标。下一节将介绍反射式光栅 的相关理论。 2 2 2 反射式平面衍射光栅的色散原理 1 8 1 4 年夫琅和费发明了光栅的刻划技术，但由于制作工艺的原因，其应用 并没有得到推广。近三十年来，由于光栅刻划技术和复制技术的提高，光栅作 为分光元件应用越来越广。与棱镜相比，光栅具有色散率大，分辨率高，工作 光谱范围广( 反射式光栅不受材料透过率的影响) 等优点。光栅有平面光栅、 凹面光栅、阶梯光栅等。平面衍射光栅又有透射式和反射式两种，目前透射式 光栅在光谱仪中已不采用，本文所讨论的均指反射式衍射光栅。 反射式平面衍射光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽而又等间隔的刻痕 面制成的，一般在一毫米内有几十至数千条的刻痕，刻划面积可到6 0 0 r a m x 4 0 0 r a m 。光栅作为分光元件时，应工作于平行光束中，由于多缝衍射和干涉的 共同作用，光栅将入射光按波长在空间分解。在光栅的主截面( 垂直于光栅刻 痕的平面) 内。如图2 4 所示，相邻两刻痕对应的光线1 l 和2 2 的光程差为： a = d ( s i n i + s i n 8 ) ( 2 1 2 ) 由相干光束干涉极大值的条件a = 胁五有： d ( s i n i + s i n 0 1 = m l ( 2 1 3 ) 式( 2 - 1 3 ) 称为光栅方程，式中i 为入射角，扩为衍射角，d 为光栅常数即 刻痕间距，朋为光谱级次( t r m 0 ，1 ，2 ，) 。可以看出当棚j 一定时，除 零级外，在确定的光谱级中，波长越大的光束衍射角越大，这样不同的波长的 同一级主最大，自零级开始向左右两侧，按波长次序由4 n 大散开，在实际的 光栅衍射图样中，由于总的刻线数很大，所以主最大对应的角宽度很小，在透 第二章光栅色散型光谱仪器原理 镜的后焦面上就形成非常明锐的细谱线。当俨0 时，没有色散，称为零级光谱， 其位置对应于反射方向，即= f 。在零级谱两边，m ) o 为正级光谱，瓜o 为负级 光谱。 2 圈2 4 平面光栅色散原理 对于给定的光栅，可以观察到的最高光谱级次受f s i n + s i n 8 f s 2 所限，有： 脚一竿 ( 2 - 1 4 ) 该式是为获得某一波长的聊级光谱而选用光栅时所必须遵守的。 平面衍射光栅的基本特性有如下几点： ( 1 ) 角色散率 光栅的角色散率表示波长差为烈的两个波长的光线在空间分开的角距离的 大小，对光栅方程两边微分有： d c o s 8 = m d 2( 2 1 5 ) 丽d o = 赤 ( 2 - 1 6 ) 丽2 磊面 。z “。 可以看出：光栅的角色散率与光栅常数翻或反比，与光谱级次m 成正比( 但 对一定的光栅而言，工作波段所能利用的级次受衍射角的限制) ，与衍射角口 的余弦成反比；在靠近光栅平面法线的范围内，衍射角口很小，其余弦值随口 的变化很小，且近似等于l ，于是其角色散率近似等于萨常数，即f 与 差不 多成线性关系，这种色散为常数的光谱称为“正常光谱”或“匀排光谱”，这 是光栅光谱区别于棱镜光谱的一个重要特点。按照这种特性，在实际使用中可 以简单的线性比例关系求取谱线位置。 光栅的线色散率为角色散率与成像物镜焦距的乘积： _ d s ：塑一：堕 ( 2 - 1 7 ) 瓦2 面，：。瓦南 ( 2 ) 分辨率 如图2 5 ，两条波长差为兹的光线入射到光栅上，简化起见设入射角i = o ， 则波长 的m 级主亮纹外第一最小值满足条件： 第二章光栅色散型光谱仪器原理 d s i r i 以l = ( r a + 1 ) 2 波长为 + d _ 的确l 主亮纹满足条件： d s i n 以= 坍( 兄+ 以) 式中n 为光栅总刻线数目。 嗲 图2 5 光栅分辨率示意图 根据瑞利判断，这两波长的谱线可被分辨的条件为巳。= 以，所以可得： r ：三= m n( 2 1 8 ) 以 这就是光栅理论分辨率的公式，容易看出，为了提高分辨率，可以通过采 用高光谱级次和增加总刻线数两种方式。 实际使用中，狭缝是不可能没有宽度的，而且光栅也不是理想的平行、等 宽、等间隔的，所以理论分辨率实际上是达不到的，实际分辨率较上式算出的 结果要低很多。正常狭缝宽度下，一般光栅在一级光谱中只能达到理论值的 7 0 * , - 8 0 左右，二级光谱时达至1 j 6 0 左右。狭缝正常宽度由下式计算： ；兰一：且，(2-19)ao 2 石i 。n d c o s o ( 3 ) 横向放大率( 角放大率) 光栅主截面内的横向放大率，决定于入射光束的入射角余弦和衍射光束的 衍射角余弦之比： ，：塑：型 ( 2 2 0 ) 。d ic o s t 9 ( 4 ) 光谱强度分布： 光谱面上的强度分布为： ，：c 1 口2 ( s i n u ) 2 ( s i n n v ) 2 ( 2 2 1 ) c 为比例常数；a 为光栅单个刻槽的宽度；“为正入射时单个刻槽两边缘上两条 衍射光线的位相差之半，等于z a s i n 钟五；v 为正入射时相差一个亥槽间隔的两 条衍射光线的位相差之半，等于m s i n t g , z 。可以看出，u = v = 0 t i p 零级主极大方 第二章光栅色散型光谱仪器原理 向的光强最大，但是零级光谱是没有色散的。为此人们研制出了反射式定向光 栅( 闪耀光栅) ，如图2 6 。闪耀光栅的每个刻槽断面里锯齿形，每个断面都相 当与一个小反射镜，使要求集中能量的衍射方向和端面的反射光方向重合，这 样就能把光能量投射到预定的光谱级次的波段上。 弋 矿”一 1痧| | j 笏剜够黝 图2 - 6 闪耀光栅原理图 图中口是刻槽面与光栅平面的夹角，称为光栅的闪耀角，口= 1 2 ( “护) 。 这表示光栅闪耀的一般条件，称付闪耀条件，一般规定m = l 时的波长为闪耀波 长，将上式代入光栅方程可得闪耀波长： = 2 d s i n a ：e o s ( g 一0 ( 2 2 2 ) 当i = 口= 口时，称主闪耀条件，此时闪耀波长为： 磊= 2 d s i n t z ( 2 2 3 ) ( 5 ) 光谱的叠级和自由光谱范围 由光栅方程，在给定入射角时，在同衍射方向可以有不同级次、不同波长 的光谱重叠在一起，即确 = m ：五= 所，五，这种现象称为光栅光谱的叠 级。 光谱级次越大，光谱重叠越严重，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。当相邻的两级光谱能重叠时，川a = ( 掰+ 1 ) ( a t d ) ， 所以自由光谱范围为： ，