光谱仪基本知识2简洁版

1、光谱仪器的基本知识光谱仪器的基本知识 A Basic Introduction of Spectrometer Instruments 陈和陈和 北京理工大学北京理工大学 光电学院光电学院 Tel：68918398 OPTICS Spectrometer |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 色散元件色散元件之棱镜之棱镜 Prism i1 i1i2 i2 偏向角偏向角为为： n i ni 1 1 sin arcsinsinarcsin 对于一定的入射角，偏向

2、角随折射率对于一定的入射角，偏向角随折射率n变变 化。化。 一般地，波长短，折射率大，偏向角一般地，波长短，折射率大，偏向角大。大。 sinsin sinsin 22 11 iin ini 21 21 ii ii |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 最小偏向角条件最小偏向角条件 对于对于单色的入射光单色的入射光，偏向角，偏向角随入射角变化而变化，随入射角变化而变化， 对于某一个入射角，偏向角存在最小值。对于某一个入射角，偏向角存在最小值。 0 1 di d

3、 i1 i1i2 i2 i1 = i2 此时：此时： i1=i2=/2 min=2i1- 根据折射定律和几何关系可以根据折射定律和几何关系可以 得到最小偏向角条件：得到最小偏向角条件： |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 最小偏向角的特点和优势最小偏向角的特点和优势 当棱镜工作在最小偏向角时，当棱镜工作在最小偏向角时，入射光和出射光是完全对入射光和出射光是完全对 称的称的，在棱镜内部光线平行于棱镜底边传播。，在棱镜内部光线平行于棱镜底边传播。 设计棱镜光谱

4、仪器时一般使色散棱镜（对某个中间波长设计棱镜光谱仪器时一般使色散棱镜（对某个中间波长 ）处于它的最小偏向角位置上进行工作）处于它的最小偏向角位置上进行工作。 对称的光路可以使得棱镜产生的相差（球差，像散）最对称的光路可以使得棱镜产生的相差（球差，像散）最 小，使得谱线成像质量好，分辨率高。小，使得谱线成像质量好，分辨率高。 光路对称时，棱镜不产生附加的横向放大率（针对一个光路对称时，棱镜不产生附加的横向放大率（针对一个 特定波长而言。）特定波长而言。） 可以充分利用棱镜的有效孔径，使得尺寸最小。可以充分利用棱镜的有效孔径，使得尺寸最小。 对称光路方便设计使用。对称光路方便设计使用。 |Crea

5、tive ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 棱镜的角色散率棱镜的角色散率 根据角色散率定义，在最小偏向角情况下的棱根据角色散率定义，在最小偏向角情况下的棱 镜角色散率为：镜角色散率为： 22 2sin 2 1sin 2 ddn dd n 增加角色散率的方法增加角色散率的方法： 1 减小入射角（杂散光影响）减小入射角（杂散光影响） 2 增大折射顶角（全反射限制）增大折射顶角（全反射限制） 3 增大材料色散（材料和价格限制）增大材料色散（材料和价格限制） 最常用的方法最常用的方

6、法： 增加棱镜数目。增加棱镜数目。 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 棱镜的分辨率棱镜的分辨率 t D l D +d d 1 2sin 2 cos ddn i 根据角分辨率公式，有：根据角分辨率公式，有： 矩孔衍射决定的最小分辨角矩孔衍射决定的最小分辨角 为：为： 1 0 cos 2 sin2 itD d d dn t d R （最小偏向角情况） d dn t d R 3 1 实际情况 |Creative ways to construct winnin

7、g e-mails 棱镜的横向放大率棱镜的横向放大率 i1 i1 i2 i2 D D 棱镜非主截面的光谱线弯曲棱镜非主截面的光谱线弯曲 cos cos cos cos 212 112 diii diii 狭缝的像在焦平面上不是一条直线而是一条弯曲的光狭缝的像在焦平面上不是一条直线而是一条弯曲的光 谱线，弯曲的方向朝向短波方向。谱线，弯曲的方向朝向短波方向。 原因：非狭缝中心的光线进入棱镜时，不是通过棱镜原因：非狭缝中心的光线进入棱镜时，不是通过棱镜 的主截面，而是在倾斜截面上折射，此时的色散率和的主截面，而是在倾斜截面上折射，此时的色散率和 偏向角都和主截面上的不同。偏向角都和主截面上的不同。

8、 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 棱镜可用的材料棱镜可用的材料 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 例子例子 =400nm 熔融石英熔融石英 n=1.47，dn/d=1100cm-1 重燧石玻璃：重燧石玻璃：n=1.81， dn/d=4400cm-1 （考虑一等边棱镜，顶角（考虑一等边棱镜，顶角60度，成像透镜焦距

9、度，成像透镜焦距f=100mm） 角色散率角色散率 ： 线色散率线色散率 ： 分辨率分辨率 ： 22 2sin 2 1sin 2 ddn dd n 1 3 dn Rt dd |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 几种常用的棱镜结构几种常用的棱镜结构 Littrow 棱镜棱镜 Amici 棱镜 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-ma

10、ils |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 色散元件色散元件之光栅之光栅 Gratings 光栅方程：光栅方程： midsinsin i和和在法线的同一侧，两在法线的同一侧，两 角度符号相同，取正号角度符号相同，取正号 i和和在法线的不同侧，两在法线的不同侧，两 角度符号相反，取负号角度符号相反，取负号 d i n |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct

11、 winning e-mails midsinsin i d m sinarcsin m=0，所有波长不分开，没有色散，零级光谱，所有波长不分开，没有色散，零级光谱 m0，对于一定的光栅常数和同样的入射角，同，对于一定的光栅常数和同样的入射角，同 一级次不同波长的光在空间向左右两边分开一级次不同波长的光在空间向左右两边分开 m0，正级光谱，正级光谱 m0，负级光谱，负级光谱 对于给定光栅的最高光谱级次限制：对于给定光栅的最高光谱级次限制：2sinsini d m 2 max |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways t

12、o construct winning e-mails 光栅的角色散率光栅的角色散率 ddcossinsinmdmid 光栅的角色散率与光栅常数光栅的角色散率与光栅常数d成反比成反比 光栅的角色散率与光谱级数成正比光栅的角色散率与光谱级数成正比 光栅的角色散率与衍射角余弦成反比光栅的角色散率与衍射角余弦成反比 cosd m d d constant 0 d m d d 在靠近法线位置：在靠近法线位置： |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 光栅的分辨率光栅的

13、分辨率 则波长则波长+d的第的第m级主亮条纹级主亮条纹： 1 1 sin m dm N 考虑一块理想光栅，入射和衍射光线都位于主截面内，考虑一块理想光栅，入射和衍射光线都位于主截面内， 假设为正入射（假设为正入射（i=0），则波长），则波长的第的第m级主亮条纹级主亮条纹： dmd m sin 波长波长的第的第m级主亮条纹外的一阶极小值满足级主亮条纹外的一阶极小值满足： md m sin 瑞利判据：瑞利判据： mm 1 mN d R |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-

14、mails 光栅光谱的叠级和自由光谱范围光栅光谱的叠级和自由光谱范围 等式左边不变，右边可以是不同级次的不同波长，即等式左边不变，右边可以是不同级次的不同波长，即 mid sinsin 332211 mmm 这种现象称为光谱的这种现象称为光谱的叠级叠级。 一个光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段称为一个光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段称为自由光自由光 谱范围谱范围。 1mm 1 m 光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct

15、winning e-mails 闪耀光栅闪耀光栅 原理：对于闪耀光栅原理：对于闪耀光栅 ，每个刻痕断面都相，每个刻痕断面都相 当于一个小反射镜，当于一个小反射镜， 当当衍射光线主要集中衍射光线主要集中 于反射方向上于反射方向上，能量，能量 可以集中在所需要的可以集中在所需要的 某一光谱级次的波段某一光谱级次的波段 范围内。范围内。 n n i a d 闪耀光栅的几何参数闪耀光栅的几何参数a和和需满足一定条件：需满足一定条件： 一、反射方向与需要的衍射方向一致一、反射方向与需要的衍射方向一致 sinsin m i d i 2sincos m d 二、光栅零级主极大方向在单缝二、光栅零级主极大方向

16、在单缝 的负第一衍射级的极小方向上的负第一衍射级的极小方向上 sinsin i a i i 2sincosi a |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 闪耀波长闪耀波长 对于确定的光栅，对于一定的入射角，衍射角的方向与反射方向对于确定的光栅，对于一定的入射角，衍射角的方向与反射方向 一致的波长，称为光栅的闪耀波长。此时的衍射角称为光栅的闪一致的波长，称为光栅的闪耀波长。此时的衍射角称为光栅的闪 耀方向。耀方向。 正如前面所示，此时要满足：正如前面所示，此时要

17、满足： 2 i i 我们将刻槽面与光栅平面的夹角我们将刻槽面与光栅平面的夹角称为闪耀角。上式称为称为闪耀角。上式称为付闪耀条付闪耀条 件件。 此时的光栅方程：此时的光栅方程： 2 sincosdim 一般规定一般规定m=1时的波长为闪耀波长时的波长为闪耀波长b，则：，则：2 sincos b di 当当i=时（时（Littrow装置中），闪耀波长装置中），闪耀波长B为为：2 sin B d i=又又称为称为主主闪闪耀耀条条件件 coscos 22 bBB i |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to constr

18、uct winning e-mails 闪耀光栅的效率闪耀光栅的效率 绝对效率绝对效率：在给定的光谱级中，衍射光的通量对入射的：在给定的光谱级中，衍射光的通量对入射的 单色光通量之比。单色光通量之比。 22 2121 bb mm 光栅效率一般决定于刻槽的轮廓和密度，而且随波长变光栅效率一般决定于刻槽的轮廓和密度，而且随波长变 化。化。 光栅效率也和入射光的角度以及偏振态有关。光栅效率也和入射光的角度以及偏振态有关。 有用波长范围的经验公式：有用波长范围的经验公式： 闪耀波长处，光栅效率最高，在闪耀波长的两侧效率下闪耀波长处，光栅效率最高，在闪耀波长的两侧效率下 降。下降速度随级次增大而加快。降

19、。下降速度随级次增大而加快。 效率大于效率大于0.4的波长范围才被认为是有效的工作区域。的波长范围才被认为是有效的工作区域。 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 光栅制作的要求光栅制作的要求 根据理论计算和实际工作：根据理论计算和实际工作： 一块用于一级光谱的光栅，它的刻线随机误差和周期误一块用于一级光谱的光栅，它的刻线随机误差和周期误 差不应超过光栅常数的差不应超过光栅常数的1%，累积误差不超过光栅常数的，累积误差不超过光栅常数的 10%。 对应用于第对

20、应用于第m级光谱的光栅，上述误差的许可值将与光级光谱的光栅，上述误差的许可值将与光 栅的光谱级次成反比。栅的光谱级次成反比。 例：例： 应用应用1级光谱的级光谱的1200 L/mm光栅，随机误差和周期误差不大于光栅，随机误差和周期误差不大于 0.008um，而累积误差要小于，而累积误差要小于0.08um 要达到如此高的精度，技术上的难度极大。要达到如此高的精度，技术上的难度极大。 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 光栅的制造方法光栅的制造方法 1、机械刻

21、划、机械刻划 精选玻璃毛坯，真空镀膜，刻划槽型，检验精选玻璃毛坯，真空镀膜，刻划槽型，检验 3、全息法制造、全息法制造 玻璃毛坯精选和加工；涂光致抗蚀剂；曝光；化学处理；玻璃毛坯精选和加工；涂光致抗蚀剂；曝光；化学处理； 真空镀膜真空镀膜 2、光栅复制、光栅复制 母光栅清洁，真空镀油，镀铝，配制环氧树胶，毛坯清母光栅清洁，真空镀油，镀铝，配制环氧树胶，毛坯清 洁，粘接与固化，分离与修正洁，粘接与固化，分离与修正 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 光栅制造

22、中的缺陷光栅制造中的缺陷 伴线伴线 刻线间距的偶然的和局部的误差导致谱线轮廓形状复杂化，在较高刻线间距的偶然的和局部的误差导致谱线轮廓形状复杂化，在较高 级次的光谱中，靠近谱线会出现微弱的大多不对称的伴线。级次的光谱中，靠近谱线会出现微弱的大多不对称的伴线。 伴线相对强度较小时，并不影响分辨率，但是影响谱线轮廓的研究伴线相对强度较小时，并不影响分辨率，但是影响谱线轮廓的研究 。 鬼线鬼线 是由刻划中的周期性误差引起的，这样会在真谱线两侧产生对称的是由刻划中的周期性误差引起的，这样会在真谱线两侧产生对称的 假谱线。假谱线。 有罗兰鬼线和赖曼鬼线两种。有罗兰鬼线和赖曼鬼线两种。 杂散光杂散光 刻划

23、中的各种局部误差和随机误差，以及光洁度的不足等都会引起刻划中的各种局部误差和随机误差，以及光洁度的不足等都会引起 杂散光的存在，现在的光栅一般要求杂散光的相对强度小于杂散光的存在，现在的光栅一般要求杂散光的相对强度小于10-5 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails 常用光栅装置类型常用光栅装置类型 Littrow（李特洛）装置类型（李特洛）装置类型 自准直结构，结构简单，紧自准直结构，结构简单，紧 凑。凑。 狭缝和光栅之间尽可能近。狭缝和光栅之间尽可能近。

24、用抛物面镜作反射时，可以用抛物面镜作反射时，可以 没有球差，且慧差最小。没有球差，且慧差最小。 谱线弯曲无法消除。谱线弯曲无法消除。 杂散光比较多。杂散光比较多。 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails Ebert-Fastie(艾伯特艾伯特-法斯梯法斯梯)装置类型装置类型 通过扫描光栅来获得不同的波长通过扫描光栅来获得不同的波长 剩余慧差小。适用于单色仪。剩余慧差小。适用于单色仪。 光栅尺寸大的时候不能适用。光栅尺寸大的时候不能适用。 容易产生多次衍射。容易

25、产生多次衍射。 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-mails Czerny-Turner(切尔尼切尔尼-特纳特纳)装置类型装置类型 此装置是此装置是Ebert-Fastier装置的改进版，避免了装置的改进版，避免了 多次衍射，能够适用更大的光栅，还可以更好多次衍射，能够适用更大的光栅，还可以更好 消除球差。消除球差。 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct win

26、ning e-mails 光谱仪器设计的基本原则光谱仪器设计的基本原则 1、保证仪器的各项基本性能、保证仪器的各项基本性能 2、光学系统必须能保证工作要求所需的光学性能、光学系统必须能保证工作要求所需的光学性能 3、仪器的最终综合误差必须在允许范围内、仪器的最终综合误差必须在允许范围内 4、结构简单合理，在指定环境下稳定可靠，并有足够的、结构简单合理，在指定环境下稳定可靠，并有足够的 寿命寿命 5、注意制造和装调的工艺性，尽可能使用标准件、注意制造和装调的工艺性，尽可能使用标准件 6、在设计系列化光谱仪器时，应有一统一的基型结构，、在设计系列化光谱仪器时，应有一统一的基型结构， 再根据不同型号的特性按模块组合方式设计整个系列仪再根据不同型号的特性按模块组合方式设计整个系列仪 器器 7、改善易用性，讲究外形美观、改善易用性，讲究外形美观 |Creative ways to construct winning e-mails |Creative ways to construct winning e-m