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光譜儀基礎(chǔ)知識介紹（卓立漢光）

什么是光譜儀？光與物質(zhì)相互作用引起物質(zhì)內(nèi)部原子及分子能級間的電子躍遷，使物質(zhì)對光的吸收、發(fā)射、散射等在波長及強(qiáng)度信息上發(fā)生變化，而檢測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分離/延展開來，配合各種光電儀器附件得到波長成分及各波長成分的強(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)揮著大的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，如何獲得單波長輻射是*的手段。由于現(xiàn)代單色儀可具有很寬的光譜范圍（UV- IR），高光譜分辨率（到0.001nm）,自動波長掃描，完整的電腦控制功能易與其他周邊設(shè)備融合為高性能自動測試系統(tǒng)，使用電腦自動掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的。

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（顏色）。利用每個波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過電腦控制可地改變出射波長。

一、光柵單色儀重要參數(shù)：

1.分辨率：
光柵單色儀的分辨率R是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據(jù)羅蘭判據(jù)為：R=λ/Δλ
光柵光譜儀中有實(shí)際意義的定義是測量單個譜線的半高寬（FWHM）。實(shí)際上，分辨率依賴于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)。
R∝ M·F/W
M-光柵線數(shù) F-譜儀焦距 W-狹縫寬度

2.色散：
光柵光譜儀的色散決定其分開波長的能力。光譜儀的倒線色散可計算得到：沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長λ的變化，即：
Δλ/Δχ=dcosβ/mF
這里d、β、F分別是光柵刻槽的間距、衍射角和系統(tǒng)的有效焦距，m為衍射級次。由方程可見，倒線色散不是常數(shù)，它隨波長變化。在所用波長范圍內(nèi)，變化可能超過2倍。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在本樣本中，用1200l/mm光柵色散的中間值（典型的為435.8nm）時的倒線色散。

3.帶寬：
帶寬是忽略光學(xué)像差、衍射、掃描方法、探測器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等，在給定波長，從光譜儀輸出的波長寬度。它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。例如，單色儀狹縫為0.2mm，光柵倒線色散為2.7nm/mm，則帶寬為2.7×0.2=0.54nm。

4.波長精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度：
①波長精度是光譜儀確定波長的刻度等級，單位為nm。通常，波長精度隨波長變化。
②波長重復(fù)性是光譜儀返回原波長的能力。這體現(xiàn)了波長驅(qū)動機(jī)械和整個儀器的穩(wěn)定性。
③卓立漢光的光譜儀的波長驅(qū)動和機(jī)械穩(wěn)定性，其重復(fù)性超過了波長精度。
④波長準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長與實(shí)際波長的差值。每臺單色儀都要在很多波長檢查波長準(zhǔn)確度。

5.F/#：
F/#定義為焦距（f）與光譜儀內(nèi)有效光學(xué)元件 小通光孔徑（D）的比值。光通過效率與F/#的平方成反比，F(xiàn)/#愈小，光通過率愈高。

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。刻劃光柵具有衍射效率高的特點(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

一、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)驗靈活選擇；
2、閃耀波長，閃耀波長為光柵 大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)驗需要波長附近。如實(shí)驗為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm；
3、使用范圍，
4、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。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。

二、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。對某波長，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次。如圖1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，衍射級次為m，d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的大值：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為相對于零級光譜位置的光柵角，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：
對一給定方向β，可以有幾個波長與級次m相對應(yīng)λ滿足光柵方程。比如600nm的一級輻射和300nm的二級輻射、200nm的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消二級光譜濾光片輪的意義。
衍射級次m可正可負(fù)。
對相同級次的多波長在不同的β分布開。
含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變α，則在α+β不變的方向得到不同的波長。