光譜儀的工作原理

光譜儀的工作原理

    光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產、質控等方面都發揮著的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。由于現代單色儀可具有很寬的光譜范圍（UV-IR），高光譜分辨率（0.001nm），自動波長掃描，完整電腦控制功能，極易和其它周邊設備配合為高性能自動測試系統，使用電腦自動掃描多光柵光譜儀已成為光譜研究的。

    當一束復合光線進入光譜儀的入射狹縫，首先由光學準直鏡準直成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長（顏色）。利用不同波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。

   在光譜學應用中，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。除了用單色光源（如光譜燈、激光器、發光二極管）、顏色玻璃和干涉濾光片外，大都使用掃描選擇波長的單色儀。尤其是當前更多地應用掃描光柵單色儀，在連續的寬波長范圍（白光）選出窄光譜（單色或單波長）輻射。

光柵基礎

    光柵作為重要的分光器件，他的選擇與性能直接影響整個系統性能。為更好協助用戶選擇，在此做一簡要介紹。

    光柵分為刻劃光柵、復制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂有金屬的表面上機械刻劃而成；復制光柵是用母光柵復制而成。典型刻劃光柵和復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。全息通常包括正弦刻槽。刻劃光柵具有衍射效率高的特點，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

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的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當，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生衍射和干涉。對某波長，在大多數方向消失，只在一定的有限方向出現，這些方向確定了衍射級次。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為相對與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。

    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，旋轉光柵，改變α，則在α+β不變的方向得到不同的波長。

如何選擇光柵

    選擇光柵主要考慮如下因素：

    刻槽密度G=1/d，d是刻槽間隔，單位為mm。

    閃耀波長：閃耀波長為光柵衍射效率點，因此選擇光柵時應盡量選擇閃耀波長在實際需要波長附近。如實際應用在可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm。

    光柵刻線：光柵刻線多少直接關系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據實驗靈活選擇。