光柵光譜儀調(diào)研

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1、光柵光譜儀調(diào)研一、原理圖1.光柵衍射的基本原理光柵方程：對于相長干涉，,對于較高級次此值會更大。圖2.單色儀內(nèi)部光路原理簡圖光柵光譜儀，是將成分復(fù)雜的光分解為光譜線的科學(xué)儀器。通過光譜儀對光信息的抓取、以照相底片顯影，或電腦自動顯示儀器顯示和分析，從而測知物品中含有何種元素。光柵光譜儀被廣泛應(yīng)用與顏色測量、化學(xué)成分的濃度測量或輻射度學(xué)分析、膜厚度測量、氣體成分分析等領(lǐng)域中。它是利用折射或者衍射產(chǎn)生色散的光譜測量儀器，例如：棱鏡光譜儀、利用光柵制成的攝譜儀（spectrograph）和單色儀（monochromator），從入射狹縫入射的光經(jīng)過棱鏡或光柵色散后，成像在輸出狹縫附近的

2、焦平面上，不同波長在焦平面上對應(yīng)于不同的位置。其中，攝譜儀的特點是可以一次同時記錄光譜，但由于感光板記錄光信號的靈敏度較低，時間響應(yīng)也較慢，對弱光譜信號需要很長的曝光時間，單色儀的特點是可以配合該靈敏度和快速響應(yīng)的光電探測器進(jìn)行探測，通過轉(zhuǎn)動光柵對波長進(jìn)行掃描，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)多道分析儀（opticalmultichannelanalyzer，OMA）結(jié)合了兩者的特色。利用靈敏度高的、時間響應(yīng)較快的光電探測器取代照相感光板，實現(xiàn)了對寬波長范圍光譜的同時記錄，因而在現(xiàn)代光譜測量中發(fā)揮著及其重要的作用。衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件，它是一塊平整的玻璃或者金屬材料表面（可

3、以是平面或者凹面）刻劃出一系列平行的等距離的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或者介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射式衍射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通常刻線密度為每毫米百到十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。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。通過電腦控制可精確地改變出射波長。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?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典

4、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，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。我們現(xiàn)在注重的是單色儀中的平面衍射光柵的效用。它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。圖4.單色儀反射式衍射光柵原理圖如圖4所示，光柵刻槽垂直入射平面，入射光與光柵法線夾角為，衍射角為，衍射級次為m，d為刻槽間距，在下述條件

5、下得到干涉的極大值：定義為入射光線與衍射光線夾角的一半，即；為相對于零級光譜位置的光柵角，即得到更方便的光柵方程：從該光柵方程可看出，對一給定方向，可以有幾個波長與級次M相對應(yīng)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。對相同級次的多波長在不同的分布開。含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變，則在不變的方向得到不同的波長。其中，，N:每毫米可劃線的數(shù)目，+代表衍射光線與入射光線是在法線同一方向，-代表衍射光線與入射光線在發(fā)現(xiàn)的不同側(cè)。我們在討論的時候先假定入射光波是平面波，這樣的話角展

6、度就近似為零。我們保持入射角是常數(shù)，那么有，一、參數(shù)特性1、閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點，因此選擇光柵時應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實驗需要波長附近。如實驗為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm。圖3.Efficiencycurveofablazed,ruledgrating實際上，閃耀波長并不是只對一個波長閃耀而是在一個波長范圍內(nèi)的閃耀，在閃耀峰值波長上，一級衍射效率可以達(dá)到70%--80%，當(dāng)波長大于閃耀波長閃耀效率隨波長的增加而緩慢降低；當(dāng)波長小于閃耀波長，閃耀效率下降得很快。通常工作波長選擇在閃耀波長附近以及長波方向上。對于閃耀光柵，在閃耀波長2/3處或者1.8倍波長

7、處的光的強度為閃耀波長處的50%，光柵的衍射效率還與入射光的偏振特性有關(guān)，與光柵刻線方向垂直的偏振光衍射效率最高，自然光，其次真空紫外到遠(yuǎn)紅外。2、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)實驗靈活選擇。3、光柵效率，光柵效率是衍射到特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。另外一個要求就是要求鏡子表面要與光柵表面平行。我們通?？紤]的光柵衍