中階梯光譜儀

《中階梯光譜儀》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、中階梯光譜儀一、中階梯光譜儀基本概念和理論又稱反射式階梯光柵(reflectionsteppedgrating)。其性質(zhì)介于小階梯光柵和階梯光柵之間。它與一般的閃耀光柵不同，不以增加光柵刻線，而以增大閃耀角(高光譜級(jí)次和加大光柵刻劃面積)來(lái)獲得高分辨本領(lǐng)和高色散率。中階梯光柵光譜儀是一種全譜直讀的新型高端光譜儀器，它以中階梯光柵為主色散元件，經(jīng)低色散元件進(jìn)行交叉色散后，在焦面處形成二維譜圖（即：中階梯光柵光譜儀各級(jí)之間的重疊用交叉色散棱鏡的辦法來(lái)解決，即棱鏡的色散方向與中階梯光柵的色散方向互相垂直，這樣在儀器的焦

2、面上形成二維光譜圖象）該二維譜圖被探測(cè)、接收、數(shù)字化后，采用特定的譜圖還原方法可以轉(zhuǎn)換為高分辨率的一維光譜信息。二、中階梯光譜儀國(guó)內(nèi)外概況中階梯光柵光譜儀在20世紀(jì)70年代開始受到廣泛關(guān)注，但在經(jīng)歷了七十年代的短暫熱潮之后，由于探測(cè)器技術(shù)不夠成熟而沒(méi)有能夠很好的繼續(xù)發(fā)展。直到90年代，隨著探測(cè)器技術(shù)和激光技術(shù)的成熟，尤其是二維陣列探測(cè)器（如CCD技術(shù)）及大功率短脈沖激光器的發(fā)展，推動(dòng)了中階梯光柵光譜儀技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使中階梯光柵光譜儀再次受到普遍的關(guān)注。二維陣列探測(cè)器充分利用了現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)，具備大動(dòng)態(tài)范圍、高

3、量子效率和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，而大功率短脈沖激光器則提供了新的實(shí)驗(yàn)方法。隨著高性能CCD的出現(xiàn)與發(fā)展，中階梯光柵光譜儀適用的光譜范圍擴(kuò)展到從軟X光直到近紅外區(qū)。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展與圖像處理技術(shù)的進(jìn)步也使得中階梯光柵光譜儀的性能和應(yīng)用范圍不斷得到提升。作為一種通用光譜儀器，中階梯光柵光譜儀在20世紀(jì)70年代開始在天文領(lǐng)域率先得到應(yīng)用。到80年代，隨著光柵刻劃技術(shù)的發(fā)展，世界上許多2～4m級(jí)天文望遠(yuǎn)鏡都配備了中階梯光柵光譜儀；至20世紀(jì)末，全世界已有10架配備了高分辨率中階梯光柵光譜儀的8～10m級(jí)光學(xué)/紅外天文

4、望遠(yuǎn)鏡投入使用。今天，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將中階梯光柵光譜儀廣泛應(yīng)用于天文、地礦、化工、冶金、醫(yī)藥、環(huán)保、農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生、生化、商檢和國(guó)防等諸多領(lǐng)域。我國(guó)于1995年研制成功2.16米望遠(yuǎn)鏡折軸階梯分光儀，該儀器是我國(guó)首次研制的大型中階梯光柵光譜儀器，配備于北京天文臺(tái)興隆觀測(cè)基地2.16m望遠(yuǎn)鏡，為我國(guó)天文界開展高分辨率光譜研究提供了有效的手段。但是，如果作為通用測(cè)試儀器則由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，光學(xué)裝調(diào)難度大，成本高，不可能進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域。在民用方面，國(guó)內(nèi)對(duì)中階梯光柵光譜儀器的研究、開發(fā)和應(yīng)用相對(duì)滯后。自1979年開始,

5、現(xiàn)我國(guó)至少已引進(jìn)了不同類型的中階梯光柵光電直讀光譜儀應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,發(fā)揮了很大作用。這些年來(lái),該類儀器在國(guó)內(nèi)分析化學(xué)工作方面得到了較為廣泛地應(yīng)用,發(fā)表了許多應(yīng)用儀器于測(cè)試分析工作的科研報(bào)告。值得一提的是,冶金有色地質(zhì)系統(tǒng)在1979年首先引進(jìn)了六臺(tái)SslllA型儀器,分配在各個(gè)大區(qū)地質(zhì)研究所及物探公司,主要用于對(duì)化探掃面地球化學(xué)樣品中多元素同時(shí)測(cè)定的定量分析工作。這些年來(lái),六臺(tái)儀器完成了大量生產(chǎn)分析任務(wù),其分析測(cè)試了數(shù)百萬(wàn)件樣品,每件樣品測(cè)試11一12個(gè)元素,為地質(zhì)找礦生產(chǎn)科研〔作提供了數(shù)千萬(wàn)個(gè)分析數(shù)據(jù),取得了極為

6、顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另外,應(yīng)用該儀器進(jìn)行了多項(xiàng)分析方法試驗(yàn)研究專題工作,擴(kuò)大了難測(cè)元素分析項(xiàng)目,如開展了對(duì)地質(zhì)樣品中十五個(gè)痕量稀土元素的測(cè)定工作,受到了地質(zhì)巖礦科研五作者的好評(píng)。三、中階梯光譜儀優(yōu)勢(shì)：與常規(guī)光譜儀器相比，中階梯光柵光譜儀具有高光譜分辨率、低檢出限、寬波段、無(wú)移動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)緊湊、光學(xué)系統(tǒng)的體積減小,相對(duì)孔徑變大,光強(qiáng)也得到提高,全波長(zhǎng)閃耀,分辨率和衍射效率都比較好全譜直讀等優(yōu)點(diǎn)，摒棄了傳統(tǒng)的獲取高分辨率譜圖所慣用的多次測(cè)量不同譜帶在進(jìn)行拼接的方法，可在一秒中內(nèi)獲取覆蓋整個(gè)波段的高分辨率拉曼譜圖，再輔以巧

7、妙的光路設(shè)計(jì)和先進(jìn)的探測(cè)系統(tǒng),方便靈活,響應(yīng)速度快,峰值檢測(cè)精度高,不存在誤讀問(wèn)題,因此中階梯光柵光譜儀在光譜分析領(lǐng)域?qū)⒄加兄匾牡匚恢须A梯光柵光譜儀代表了現(xiàn)代光譜技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。因此中階梯光柵光譜儀在光譜分析領(lǐng)域?qū)⒄加兄匾牡匚?。四、中階梯光譜儀技術(shù)方案光柵光譜儀的組成部分主要是光源，分光系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。中階梯光柵光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。它由入射針孔、準(zhǔn)直鏡、中階梯光柵、反射棱鏡、聚焦鏡和面陣ＣＣＤ組成，光學(xué)系統(tǒng)采用Ｃｚｅｒｎｅｙ－Ｔｕｒｎｅｒ（Ｃ－Ｔ）結(jié)構(gòu)形式，是最廣泛應(yīng)用的單色器結(jié)構(gòu)形式之一。該結(jié)構(gòu)

8、簡(jiǎn)單緊湊，無(wú)移動(dòng)部件，光學(xué)器件少，入射光和出射光夾角為定值，有利于后端調(diào)試和標(biāo)定，并且通過(guò)調(diào)整各部件的相對(duì)位置，可以有效控制像差及獲得二維平像場(chǎng)。Ｃ－Ｔ結(jié)構(gòu)有Ｕ型和Ｚ型（交叉束）兩種形式。交叉束結(jié)構(gòu)有利于縮小儀器體積，降低雜散光，但是，在消除像差方面不如Ｕ型結(jié)構(gòu)有利，因此采用Ｕ型Ｃ－Ｔ結(jié)構(gòu)形式。由光源經(jīng)針孔和準(zhǔn)直鏡得到的平行光束入射到中階梯光柵上進(jìn)行主方向色散；由于采用了