阶梯光栅及体光栅的应用.doc

3 阶梯光栅（echelon grating）：G. R. Harrison 于1949 年研制出一种新的衍射光栅-阶梯光栅(echelle) , 并对这种光栅的刻划技术做了开拓性的工作1 。阶梯光栅在光谱学的许多领域都是非常有用的, 特别是它集中了宽波段、高色散、高分辨率等特点, 引起了天文学家的极大兴趣, 率先得到天文应用2 。3.1 阶梯光栅的结构及工作原理阶梯光栅是由许多平面平行厚玻璃板（厚度达12cm）组成的一段阶梯，组成阶梯的玻璃板厚度严格相等，折射率相同，并且每块玻璃板凸出的高度相等（0.1cm）。由光栅的角色散公式可知, 如果用低级次光谱( 第1或第2 级) , 只有细刻线光栅才能获得高角色散; 如果用高级次光谱( 几十或上百级) , 则粗光栅同样可以获得高角色散。为利用高级次光谱和大入射角而特殊设计的一种光栅阶梯光栅。阶梯光栅有反射式及透射式两种（如图1所示）。a) 透射型阶梯光栅b) 反射型阶梯光栅图1 阶梯光栅的基本结构以透射型阶梯光栅为例，在衍射角不大的情况下，光栅方程为：（n-1）t+d=m，式中，n是玻璃折射率，t是玻璃板厚度，d为阶梯高度。3.2 阶梯光栅的特点：( 1) 每级都可以获得高的角色散;(2) 许多级次重叠在一起, 用横向色散元件将级次分离后得到二维光谱, 因此一次曝光可得很宽波长范围的光谱;( 3) 单个级次的色散角小, 一般只有几度, 自由光谱范围内的波长都将出现在该级闪耀峰值附近, 因此一个阶梯光栅对所有波长都是有效闪耀,阶梯光栅成为高效率闪耀光栅。3.3 阶梯光栅的应用：阶梯光栅用于高干涉级次, 有许多级次重叠在一起, 需用一个与阶梯光栅色散方向垂直的辅助色散元件将重叠的级次分开。作为横向色散元件, 平面反射光栅和棱镜在阶梯光栅光谱仪中都有所应用, 相比之下平面反射光栅的优点在于可获得大的阶梯光栅级次分离, 但缺点是低光效率和色散对波长的严重不均匀性, 二级光谱必须消除, 通常需要两块横向光栅分别工作在不同波段获得合适的横向色散。棱镜具有高光效率和更加均匀的横向色散等优点, 另外由于棱镜不存在闪耀和光谱级次重叠问题, 因此可工作在非常宽的光谱范围。许多中小型望远镜的阶梯光栅光谱仪选择棱镜作为横向色散, 但大望远镜的光谱仪需要大光束口径才能达到宽狭缝高分辨率的目的, 所以多数设计者选择了光栅而不用棱镜, 大棱镜的材料昂贵, 加工困难, 除非采用拼接棱镜的办法。至20 世纪末, 世界上已有10 架8 10 m 级光学/ 红外望远镜用于天文观测, 这些甚大望远镜均配置高分辨率阶梯光栅光谱仪3。4. 体光栅（three-dimensional grating）4.1 体光栅的结构及衍射原理除了衍射屏的结构只在空间一个方向上有周期性的一维光栅外，还有二维、三维光栅。晶体的晶格在三维空间里有周期性的结构，它对于波长较短的X射线来说，是一个理想的三维光栅。当X射线入射在晶体上时，晶体中处在格点上的原子或离子都会成为一个散射中心，这些散射中心在空间周期性的排列着，它们散射的X射线彼此相干，将在空间发生干涉4。晶格的格点与单缝相当，两者都是衍射单元；而晶格常数d0与光栅常数d相当，两者都反映了衍射屏的空间周期。区别主要在于一个是一维的，一个是三维的。4.2 体光栅的衍射规律4.2.1 点间干涉如图2，整个晶体点阵可看成是有一族相互平行的晶面组成，这些晶面平行于x-y面，入射的X射线垂直于y轴（即平行于z-x面），并与晶面族成角（成为掠射角）。先考察某一晶面上各个格点衍射波的相干叠加。对于这些格点构成的二维点阵来说，入射波是倾斜的。在衍射0级主极大方向上，所有的衍射线之间应该没有光程差。首先找出沿y方向排列的格点发出的衍射线之间零程差的条件，入射线与y轴垂直，它们到达沿y方向排列的格点时，彼此没有光程差。由图不难看出，任何一组相互平行的衍射线，只要仍然保持与y轴垂直，它们之间就没有光程差。同理，找出沿x方向排列的格点的零程差条件。总之，同时考虑二维点阵中两个方向的零程差条件，衍射线应该在z-x平面（入射面）内，且衍射角等于入射的掠射角。换言之，二维点阵的0级主极大方向，就是以晶面为镜面的反射线方向。图2 点间干涉4.2.2 面间干涉如图3所示，不同晶面的沿反射方向的散射光相互干涉，相邻晶面散射光1和2的光程差：=AC+CB=2dsin。 则散射光加强的条件为： 2dsin=k （ k=1,2,3），即为晶体衍射的布拉格条件。图3 面间干涉的布拉格条件4.3 体光栅的应用X射线在晶体上的衍射现象具有重要的意义，一方面可以从已知的晶体结构来测量X射线的波长，形成X射线光谱仪；另一方面，也可以利用已知的X射线来确定晶体的结构，即X射线结构分析。4.3.1 X射线光谱仪X射线光谱仪具有重现性好，测量速度快，灵敏度高的特点。能分析F(9)U(92)之间所有元素。样品可以是固体、粉末、熔融片，液体等，分析对象适用于炼钢、有色金属、水泥、陶瓷、石油、玻璃等行业样品。无标半定量方法可以对各种形状样品定性分析，并能给出半定量结果，结果准确度对某些样品可以接近定量水平，分析时间短。X射线荧光光谱仪分为波长色散、能量色散、非色散X荧光、全反射X荧光。波长色散X射线荧光光谱采用晶体或人工拟晶体根据Bragg定律将不同能量的谱线分开，然后进行测量。波长色散X射线荧光光谱一般采用X射线管作激发源，可分为顺序式(或称单道式或扫描式)、同时式(或称多道式)谱仪、和顺序式与同时式相结合的谱仪三种类型。顺序式通过扫描方法逐个测量元素，因此测量速度通常比同时式慢，适用于科研及多用途的工作。同时式则适用于相对固定组成，对测量速度要求高和批量试样分析,顺序式与同时式相结合的谱仪结合了两者的优点。 故其广泛应用于RoHS检测分析、地矿与合金（铜、不锈钢等）成分分析、金属镀层的厚度测量、电镀液和镀层含量的测定、黄金，铂，银等贵金属和各种首饰的含量检测中。4.4.2 X射线结构分析X射线实验中通常使用X光管来产生X射线。在抽成真空的X光管内，当由热阴极发出的电子经高压电场加速后，高速运动的电子轰击由金属做成的阳极靶时，靶就发射X射线。发射出的X射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量不越过一定限度时，发射的是连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射；（2）当电子的能量超过一定的限度时，可以发射一种不连续的、只有几条特殊的谱线组成的线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因。参考文献：1 HARRISON G.R. ARCHERJE, CAMUSJ. A Fixed-focus broad- range echelle spectrograph of high speed and resolving powerJ . J Opt Soc Am, 1952, 42(10).2SCHROEDER D J. An echelle spectrometer-spectrograph for astronomical use J . Appl Opt , 1967, 6(11)