第六章輻射測(cè)量的基本儀器2

1、 單色儀用來(lái)將具有寬譜段輻射的光源分單色儀用來(lái)將具有寬譜段輻射的光源分成一系列譜線很窄的單色光，因而它既可成一系列譜線很窄的單色光，因而它既可作為一個(gè)可調(diào)波長(zhǎng)的單色光源，也可作為作為一個(gè)可調(diào)波長(zhǎng)的單色光源，也可作為分光器。分光器。 單色儀是利用色散元件單色儀是利用色散元件(棱鏡、光柵等棱鏡、光柵等)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同色散角的原理，對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同色散角的原理，將光輻射能的光譜在空間分開(kāi)，并由入射將光輻射能的光譜在空間分開(kāi)，并由入射狹縫和出射狹縫的配合，在出射狹縫處得狹縫和出射狹縫的配合，在出射狹縫處得到所要求的窄譜段光譜輻射。到所要求的窄譜段光譜輻射。 棱鏡單色儀以最小偏向角狀態(tài)工作

2、，此時(shí)雖然色散角較小，但整體工作性能較好。 最小偏向角：由入射狹縫出來(lái)的單色光入射到棱鏡與棱鏡射出的光與棱鏡兩棱邊具有有相同或相近的夾角。單色儀工作的譜段范圍主要取決于棱鏡所用材料及其色散值，棱單色儀工作的譜段范圍主要取決于棱鏡所用材料及其色散值，棱鏡的色散值應(yīng)盡可能大，鏡的色散值應(yīng)盡可能大， 圖6-11 可見(jiàn)譜段色散材料的色散曲線 圖6-12 紅外譜段色散材料的色散曲線 角散射角散射0dt dnda d主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：線散射線散射2dldfdd 線色散表示在出射狹縫平面上相鄰波長(zhǎng)線色散表示在出射狹縫平面上相鄰波長(zhǎng)分開(kāi)的程度。由幾何關(guān)系不難寫出分開(kāi)的程度

3、。由幾何關(guān)系不難寫出f 2是第二物鏡的焦距。是第二物鏡的焦距。主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：光譜分辨率光譜分辨率max0ddnRatddd圖圖6-13 入射縫寬對(duì)像平面上光譜輻照度分布的影響入射縫寬對(duì)像平面上光譜輻照度分布的影響 設(shè)某光源有兩條相鄰的譜線，在一定入射縫寬時(shí), 它們?cè)诔錾淇p平面上的 輻 照 度 分 布 如 圖 6 -13(a)。當(dāng)入射縫寬增加時(shí), 兩譜線在出射縫平面上像寬度也增加, 入射縫寬增加到一定程度時(shí), 兩光譜線的像互相重疊而不能區(qū)分(圖6-13 (b)。圖圖6-13 入射縫寬對(duì)像平面上光譜輻照度分布的影響入射縫寬對(duì)像平面上光譜輻照度分布的影響 如果把入射縫寬逐漸減小，兩譜線

4、在出射縫平面上的像寬度也減少，但由于最小像寬由兩個(gè)物鏡的衍射限及縫的衍射限所決定(圖6-13(c)，若進(jìn)一步減少入射縫寬, 只能使像的輻照度降低, 而不能使像寬減小(圖6-13(d)。所以要獲得最大分辨率，使譜線有滿意的輻照度，入射縫寬應(yīng)使譜線如圖6-13(c)。 出射光譜輻照度出射光譜輻照度隨入射、出射狹隨入射、出射狹縫寬的變化縫寬的變化 當(dāng)當(dāng)a =a(圖圖(a)時(shí)，波長(zhǎng)時(shí)，波長(zhǎng) 0、入射狹縫寬像為、入射狹縫寬像為a的光譜能量能全部透過(guò)出射狹的光譜能量能全部透過(guò)出射狹縫，而波長(zhǎng)縫，而波長(zhǎng) 0+d 0(設(shè)在設(shè)在d 0內(nèi)色散值不變內(nèi)色散值不變)的光譜能量完全不能由出射狹縫射的光譜能量完全不能由出

5、射狹縫射出，出射狹縫的光譜能量相對(duì)透射值為三角形出，出射狹縫的光譜能量相對(duì)透射值為三角形(即單色儀出射光譜能量是入即單色儀出射光譜能量是入射狹縫像光譜能量與出射狹縫的卷積射狹縫像光譜能量與出射狹縫的卷積)。同理，當(dāng)同理，當(dāng)a a時(shí)時(shí)(圖圖(c)，譜段變寬，輻照度增大。，譜段變寬，輻照度增大。 一般認(rèn)為，單色儀出射的平均光譜寬度一般認(rèn)為，單色儀出射的平均光譜寬度 是相對(duì)透射是相對(duì)透射值為最大值一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜寬度。故當(dāng)值為最大值一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的光譜寬度。故當(dāng)aa時(shí)，平均光時(shí)，平均光譜寬度譜寬度 不變；而只有不變；而只有a a時(shí)，時(shí)， 才加寬。才加寬。 在單色儀中，理想情況下要獲得最大的光譜分辨率

6、和在單色儀中，理想情況下要獲得最大的光譜分辨率和較大的輻照度，應(yīng)使入射狹縫寬的像等于出射狹縫寬。此較大的輻照度，應(yīng)使入射狹縫寬的像等于出射狹縫寬。此外，一般單色儀中，兩個(gè)準(zhǔn)直物鏡的焦距外，一般單色儀中，兩個(gè)準(zhǔn)直物鏡的焦距f 相同，因此，入相同，因此，入射狹縫寬與其像尺寸相同，即射狹縫寬與其像尺寸相同，即a就是入射狹縫的寬度。就是入射狹縫的寬度。1( )( )idLsd/(/)idadl d121( )( ) ( )( ) ( )aa hs dddLfdl 121( )( ) ( )ahsdLf 6.3.2 光柵單色儀 單色儀的構(gòu)思萌芽可追述到1666年，牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)將太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡

7、太陽(yáng)光分解為七色光。1814年夫瑯和費(fèi)設(shè)計(jì)了包括狹縫、棱鏡和窗口的光學(xué)系統(tǒng)并發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光譜中的吸收譜線（夫瑯和費(fèi)譜線）。1860年克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俟庾V設(shè)計(jì)成較完善的現(xiàn)代光譜儀光譜學(xué)誕生。由于棱鏡光譜是非線性的，人們開(kāi)始研究光柵光譜儀。光柵單色儀是用光柵衍射的方法獲得單色光的儀器，它可從發(fā)出復(fù)合光的光源（即不同波長(zhǎng)的混合光的光源）中得到單色光，通過(guò)光柵一定的偏轉(zhuǎn)的角度得到某個(gè)波長(zhǎng)的光，并可以測(cè)定它的數(shù)值和強(qiáng)度。因此可以進(jìn)行復(fù)合光源的光譜分析。 6.3.2 光柵單色儀 參數(shù)參數(shù)n光柵的角色散光柵的角色散n線色散線色散 n光譜分辨率光譜分辨率 6.3.2 光柵單色儀 b是光柵相鄰刻線之間的距

8、離; N是每毫米光柵的刻線數(shù)6.3.2 光柵單色儀 6.3.2 光柵單色儀 每個(gè)刻痕的斷面都相當(dāng)于一個(gè)小反射鏡，把光線反射到預(yù)定的方向上，就能使衍射的大部分光能量集中在所需要的某一光譜級(jí)次的波段范圍內(nèi)。具有這種特性的光柵稱為定向光柵或炫耀光柵。 炫耀光柵的放大截面圖如圖6-18， 是刻槽的法線和光柵平面法線的夾角(炫耀角)，s是狹縫寬，b是光柵刻線之間間隔。sinsinnis sin()sin()mis 單縫光柵多縫光柵可以看到，單縫衍射的零級(jí)位置不一定是多縫衍射的零極在位置。適當(dāng)選擇炫耀角 ，可以使當(dāng)sini-sin=0時(shí)，(6-20)式不為零，波長(zhǎng)為的光能都集中在第m級(jí)光譜上，且由于b近似

9、等于s，其它級(jí)光譜的能量相當(dāng)少(圖6-19)。與炫耀角 對(duì)應(yīng)的在m級(jí)光譜能量有最大值的波長(zhǎng)稱為炫耀波長(zhǎng)，記為B。 6.3.2 光柵單色儀 圖6-19 炫耀光柵中的光譜能量分布 光柵中光譜不重疊區(qū)域叫自由光譜范圍。由m(+)=(m+1) 得自由光譜區(qū) /m 炫耀波長(zhǎng)B處能量最大。若規(guī)定能量下降到炫耀波長(zhǎng)處能量的一半時(shí)對(duì)應(yīng)兩側(cè)的為可用光譜區(qū)，則對(duì)于第m級(jí)炫耀光譜，光譜區(qū)的min和max分別為minmax, 1/21/2BBmm引入波數(shù)概念： (cm-1)則例例1：要測(cè)量0.41.1m譜段的輻射通量，應(yīng)選什么樣的光柵參數(shù)？解：解：選m=1，則而0.4m和1.1m的波數(shù)分別為25000cm-1和909

10、0cm-1，則 cm-1， m cm-1， m cm-1， m。即選擇炫耀波長(zhǎng)為0.5867m時(shí)，在工作譜段內(nèi)，都能有較大的輸出輻射通量。選光柵N=600線/mm，則b=1/N= 1.667m/線, 2sin=B/b=0.3519, 光柵刻線傾角=108。6.3.2 光柵單色儀 /1maxmin11() , ()22BBmmBm2/ )( , 2/ , 2/3minmaxminmaxBBB250009090170452B0.5867Bmax3255682Bmin185232Bmin0.39min1.17B=550 nm, B=18181.8 cm-1max=27272.7 cm-1, min=

11、366.7 nm,min=9090.9 cm-1, max=1100 nm,6.3.2 光柵單色儀 6.3.2 光柵單色儀 波長(zhǎng)(m)minBmax第一塊光柵0.60.91.8第二塊光柵1.82.75.4第三塊光柵5.48.116.21sin0.2252Bb223.662sin2 0.225Bb338.1182sin2 0.225Bbu光源u探測(cè)器6.3.2 光柵單色儀 光源或照明系統(tǒng)發(fā)出的光束均勻地照亮在入射狹縫S1上，S1位于離軸拋物鏡的焦平面上，光通過(guò)M1變成平行光照射到光柵上，再經(jīng)過(guò)光柵衍射返回到M1，經(jīng)過(guò)M2會(huì)聚到出射狹縫S2，由于光柵的分光作用，從S2出射的光為單色光。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)

12、，從S2出射的光由短波到長(zhǎng)波依次出現(xiàn)。 6.3.2 光柵單色儀 6.3.2 光柵單色儀 6.3.3 使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題n入射狹縫像的彎曲入射狹縫像的彎曲 6.3.3 使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題n入射狹縫像的彎曲入射狹縫像的彎曲 n若使出射狹縫和入射狹縫等寬，則出射狹縫上的光譜輻亮度不均勻。當(dāng)要求出射狹縫光譜輻亮度均勻時(shí)，出射狹縫應(yīng)開(kāi)得比入射狹縫窄(如圖6-20中A-A限定的寬度)。n有些單色儀的入射狹縫本身做成彎曲的形狀，其目的也是使入射狹縫像和出射狹縫重合。 6.3.3 使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題n雜散光的影響雜散光的影響 n單色儀不可避免地會(huì)有內(nèi)部反射及由于色散元件等表面上的灰塵、光學(xué)零件缺陷等造成

13、的散射，使一部分光能不經(jīng)色散元件而投射在出射狹縫上；色散元件表面的不平，刻線寬度周期性變化等，都會(huì)使一部分其它波長(zhǎng)的光能散射到出射狹縫上。圖6-23畫出了一種單色儀的理想光譜透射及其實(shí)測(cè)曲線。n用雙單色儀可大大提高出射光譜的純度。圖6-24 給出的雙單色儀是兩個(gè)單色儀的串接，第一單色儀的出射狹縫是第二單色儀的入射狹縫，于是散射到第一單色儀出射狹縫的非工作波長(zhǎng)的光能在經(jīng)過(guò)第二單色儀時(shí)，被色散元件偏向第二出射狹縫以外的位置，從而提高了出射光光譜的純度。n使用相同系統(tǒng)的雙單色儀，其光譜分辨率可提高一倍，只是光能經(jīng)過(guò)兩級(jí)單色儀后，損失增大，故使用時(shí)光源應(yīng)足夠強(qiáng)。6.3.3 使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題n波長(zhǎng)的

14、標(biāo)定波長(zhǎng)的標(biāo)定n單色儀經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，由于溫度影響、機(jī)械結(jié)構(gòu)松動(dòng)、固有的結(jié)構(gòu)間隙等，使得單色儀的波長(zhǎng)刻度往往與實(shí)際出射光的波長(zhǎng)不能準(zhǔn)確地吻合，定期進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定十分必要。n紅外單色儀波長(zhǎng)標(biāo)定的過(guò)程大致相同，常用已知波長(zhǎng)的線光譜燈或一些吸收譜線作為標(biāo)定源。在近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外還用氧化鈥等玻璃、聚乙烯或大氣水氣、二氧化碳等吸收譜線作為標(biāo)定波長(zhǎng)，激光光源也是很好的標(biāo)定光源。n標(biāo)定可見(jiàn)譜段的波長(zhǎng)時(shí)，由于一般譜線較亮，狹縫應(yīng)盡可能窄(如0.1mm)。 6.3.3 使用單色儀的幾個(gè)問(wèn)題n溫度對(duì)測(cè)量的影響溫度對(duì)測(cè)量的影響n溫度使材料的折射率發(fā)生變化，故儀器工作所在環(huán)溫度使材料的折射率發(fā)生變化，故儀器工

15、作所在環(huán)境溫度的變化應(yīng)控制在土境溫度的變化應(yīng)控制在土10 C以內(nèi)。尤其是紅外分以內(nèi)。尤其是紅外分光棱鏡，色散小，光譜分辨率低，溫度變化引起的光棱鏡，色散小，光譜分辨率低，溫度變化引起的波長(zhǎng)裝定誤差就更大。波長(zhǎng)裝定誤差就更大。 6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 在光輻射測(cè)量中，分光光度計(jì)主要用于測(cè)量材料光譜反射比或光譜透射比。典型的系統(tǒng)有：n雙光束光學(xué)自動(dòng)平衡系統(tǒng) (Optical null system) n雙光束電學(xué)平衡系統(tǒng) (Electrical ratio-recording system) 6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 美國(guó)通用電器公司生產(chǎn)的一種由雙單色儀系統(tǒng)和工作在零讀數(shù)下的偏光光度

16、計(jì)組成的分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。 6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 6.4 分光光度計(jì)和光譜輻射計(jì) 用以測(cè)量光源光譜輻射度量的儀器叫光譜輻射計(jì)，其基本由比較光路、單色儀和探測(cè)顯示系統(tǒng)組成。圖6-27是貝克曼DK-2R分光輻射計(jì)的結(jié)構(gòu)原理圖，標(biāo)準(zhǔn)光源和待測(cè)光源分別放在兩個(gè)燈室中，它們發(fā)出的光分別經(jīng)過(guò)一石英漫射器(注意：球只是用于固定漫射器，其本身不是積分球)，再經(jīng)反射鏡照在擺動(dòng)反射鏡上；擺動(dòng)反射鏡交替地將來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)/待測(cè)光源的光能引入單色儀；在單色儀的出射狹縫處安裝探測(cè)器，探測(cè)器輸出信號(hào)的大小與待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)光源光譜輻強(qiáng)度之比成正比。儀器測(cè)

17、量精度在3以內(nèi)。 圖6-27 貝克曼DK-2R光譜輻射計(jì) 6.5 傅立葉變換光譜輻射計(jì) 隨著光譜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的迅速擴(kuò)大，各種光譜儀器得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。提高光譜分辨率常受到光譜譜段變窄使光譜信號(hào)減弱、測(cè)量時(shí)間增長(zhǎng)等的限制，增加精細(xì)光譜測(cè)量的困難。尤其是紅外譜段，近十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的傅里葉變換光譜輻射計(jì)(簡(jiǎn)記作FT輻射計(jì))、哈達(dá)瑪變換光譜儀等，以光譜分辨率高、信噪比大、測(cè)量時(shí)間短等一系列優(yōu)點(diǎn)得到日益廣泛的應(yīng)用。新型光電探測(cè)器、信號(hào)處理技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使傅立葉光譜儀器的應(yīng)用前景更為廣闊，不僅在實(shí)驗(yàn)室，而且被廣泛用于航空航天的光譜測(cè)量?jī)x器。 6.5 傅立葉變換光譜輻射計(jì) M1 M2 BS

18、 IRS F C D 準(zhǔn)直鏡 聚光鏡 邁克爾遜干涉儀示意 6.5 傅立葉變換光譜輻射計(jì) 6.5 傅立葉變換光譜輻射計(jì) 6.5 傅立葉變換光譜輻射計(jì) 干涉圖函數(shù)為： 02cos)()(vxdvvExI光源的光譜強(qiáng)度分布為： 02cos)()(vxdxxIvE 連續(xù)改變干涉儀的光程差，利用光電元件可以記錄干涉儀中射出的可變光輻射通量，得出干涉圖函數(shù)。對(duì)干涉圖作傅立葉余弦變換，就可得到任何波數(shù)的輻射光強(qiáng)度。 6.5 傅立葉變換光譜輻射計(jì)傅立葉變換光譜儀的分辨本領(lǐng)： 如果干涉裝置所能達(dá)到的最大光程差為xm，則傅立葉變換光譜儀的分辨本領(lǐng)即最小剛能分辨的兩譜線的波數(shù)差應(yīng)為=1/2xm當(dāng)光源不是理想的點(diǎn)光源時(shí)，極限分辨率與光源對(duì)儀器所張立體角有關(guān)。6.5 傅立葉變換光譜輻射計(jì)傅立葉變換光譜儀