光譜儀基礎(chǔ)知識(shí)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(jí)間的電子躍遷，使物質(zhì)對(duì)光的吸收、發(fā)射、散射等在波長(zhǎng)及強(qiáng)度信息上發(fā)生變化，而檢測(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(kāi)來(lái)，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)揮著大的作用。無(wú)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(zhǎng)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(dòng)波長(zhǎng)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(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。

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(guò)衍射光柵色散為分開(kāi)的波長(zhǎng)（顏色）。利用每個(gè)波長(zhǎng)離開(kāi)光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過(guò)電腦控制可地改變出射波長(zhǎng)。

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(kāi)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(cè)量單個(gè)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(zhǎng)、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(kāi)波長(zhǎng)的能力。光譜儀的倒線色散可計(jì)算得到：沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長(zhǎng)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(jí)次。由方程可見(jiàn)，倒線色散不是常數(shù)，它隨波長(zhǎng)變化。在所用波長(zhǎng)范圍內(nèi)，變化可能超過(guò)2倍。根據(jù)國(guó)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(shí)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(cè)器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等，在給定波長(zhǎng)，從光譜儀輸出的波長(zhǎng)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(zhǎng)精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度：
①波長(zhǎng)精度是光譜儀確定波長(zhǎng)的刻度等級(jí)，單位為nm。通常，波長(zhǎng)精度隨波長(zhǎng)變化。
②波長(zhǎng)重復(fù)性是光譜儀返回原波長(zhǎng)的能力。這體現(xiàn)了波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性。
③卓立漢光的光譜儀的波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性，其重復(fù)性超過(guò)了波長(zhǎng)精度。
④波長(zhǎng)準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長(zhǎng)與實(shí)際波長(zhǎng)的差值。每臺(tái)單色儀都要在很多波長(zhǎng)檢查波長(zhǎng)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(guò)效率與F/#的平方成反比，F(xiàn)/#愈小，光通過(guò)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(gè)系統(tǒng)性能。
光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@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。

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(yàn)靈活選擇；
2、閃耀波長(zhǎng)，閃耀波長(zhǎng)為光柵 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(jiàn)光范圍，可選擇閃耀波長(zhǎng)為500nm；
3、使用范圍，
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。

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(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(jí)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(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(kāi)。
含多波長(zhǎng)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(zhǎng)。