單色儀簡介和比較

單色儀簡介和比較1666年，牛頓在研究三棱鏡時發(fā)現(xiàn)，太陽光在通過三棱鏡后被分解成了七色光。1814年，夫瑯禾費設計了一套包括棱鏡、狹縫和視窗的光學系統(tǒng)并觀察了太陽光譜中的吸收譜線。1860年，克希霍夫和本生為研究金屬光譜而設計了較完善的現(xiàn)代光譜儀——這標志著光譜學的誕生。如今光譜分析已經(jīng)是研究物理光學的主要分析手段，在科研和生產(chǎn)等方面發(fā)揮著極大的作用。在光譜分析中，無論是對熒光光譜，還是穿透吸收光譜，亦或是拉曼光譜的研究，獲得單色光都是不可缺少的手段。其方法有很多，如單色光源、顏色玻璃和干涉濾光片。除此之外，單色儀也是一種常見的獲得單色光的方法。單色儀一般通過色散、衍射等方法，將紫外、可見和紅外的光譜區(qū)里的復合光分解成不同波長的單色光。按照不同的分類標準，單色儀可以分為很多種。常用的分類是：光柵單色儀和棱鏡單色儀兩種。光柵單色儀按光束入射方式可分為正入射、掠入射和投射單色儀；按光學系統(tǒng)分布可分為羅蘭圓和非羅蘭圓兩種；按衍射光柵面型可分為平面、球面和環(huán)面單色儀三種。一、單色儀的分類簡介1、棱鏡單色儀棱鏡單色儀是晶體單色卜帝先―簟—卜 色般，氏 卜」一系裳.儀的一種，此 一沁f體:匯:'^件。用作同步輻射X射線波段的分光系統(tǒng)，由于晶體單色儀的衍射面是晶格面，所以對真空環(huán)境的要求可以比較低（10-「2）。普通的棱鏡單色儀通常由三部分組成，準光鏡系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成譜系統(tǒng)。如上圖所示。①準光鏡系統(tǒng)：它是由準直光物鏡1_1和放在L1焦平面上的狹縫S組成；②色散系統(tǒng)，它是由棱鏡P等組成；③成譜系統(tǒng)，它是由物鏡12和其焦平面上的像屏組成。成譜系統(tǒng)形式的不同，儀器的名稱就不同。若采用的是望遠鏡來觀察光譜，則叫做“棱鏡分光鏡”；若采用物鏡和感光板進行攝譜，則叫做“棱鏡攝譜儀”；若用狹縫來分離譜線，就叫做“單色儀”。棱鏡單色儀原理是復色光從狹縫進入，準光鏡系統(tǒng)能夠將其轉變成平行光，然后入射棱鏡。色散系統(tǒng)將來自準光系統(tǒng)的平行光均勻而廣泛地照射在棱鏡P的折射面A上，經(jīng)過棱鏡的折射后，復平行光就分解成沿不同方向傳播的單色光。然后成譜系統(tǒng)將沿不同方向的單色平行光會聚與焦平面上，從而獲得一幅彩色的光譜線圖。

其實每一根譜線是狹縫的一個像。為了使譜線像差小、成像清晰、體積小、集光本領強，人們對結構做了重要的改進。如圖所示的是WDF型棱鏡單色儀。亞口1"型是一種反射式棱鏡單色儀，它是將上述準光鏡系統(tǒng)中的凸透鏡口和物鏡L2用兩塊凹面反射鏡M1、M2代替。其優(yōu)點是能夠使狹縫射進來的復色光變成平行光的平行性更好，且凹面鏡對各種不同波長的平行光聚于焦平面上的像不會有前后之分。對于色散系統(tǒng)，只有復色光中以最小偏向角色散的單色光才能夠通過狹縫S2，這樣就可以通過控制棱鏡轉動的角度來實現(xiàn)單色儀的定標了。2、光柵單色儀與棱鏡單色儀不同，光柵單色儀是通過衍射來實現(xiàn)復色光的分解的。光柵光譜儀是多種多樣的，其主要是由光柵、狹縫、成象系統(tǒng)和感光板（或出射狹縫）等部件組成。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(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)，圖i多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，圖i反射式新射光?這些方向確定了衍射級次。如上圖所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為a,衍射角為8,衍射級次為m,d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：d(sina+sin8)=m入 (1)定義0為入射光線與衍射光線夾角的一半，即Q=(a-B)/2；8為相對于零級光譜位置的光柵角，即8=(a+B)/2,得到更方便的光柵方程：2dcos0sine=m入(2)從該光柵方程可看出：(1)對一給定方向8,可以有幾個波長與級次由相對應的人滿足光柵方程。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。衍射級次田可正可負。(2)對相同級次的多波長在不同的8分布開。(3)含多波長的輻射方向固定，旋轉光柵，改變a,則在a+8不變的方向得到不同的波長。所以，光柵干涉儀的結構大多是保持入射狹縫和出射狹縫不動，僅光柵自身轉動來實現(xiàn)譜線的掃描和波長的選擇。SI光柵單色儀與棱鏡單色儀最大的不同主要是在光學系統(tǒng)上。以WDP500-C平面光柵單色儀為例，如圖所示，這是SI一種平面光柵單色儀的光學系統(tǒng)。它的工作原理是光源發(fā)出的光均勻的照亮在位于拋物鏡的焦平面上的狹縫S1,然后經(jīng)過凹面鏡M1的反射到光柵G上。由光柵的衍射光再經(jīng)過M1、M2的反射后射出狹縫S2。相比于棱鏡單色儀來說，光柵單色儀由于沒有太多折射，光強減少相對較小，出射光強較大。因此光柵單色儀比較容易與其它檢測設備配套使用。由于光柵相對于棱鏡來說體積較小，并且光柵制作技術的不斷進步，現(xiàn)在光柵單色儀的應用更加廣泛。因此，光柵單色儀的分類也就比較多了。下面簡介三種光柵單色儀：（1）柱面單色儀（Dragon單色儀）下圖所示的是柱面元件單色儀，它的目的是在保證衍射光束成像質(zhì)量的前提下，以最小數(shù)目的光學元件、最簡單的可靠波長掃描運動和最容易制造的光學表面形狀為基點來實現(xiàn)其分光的作用系統(tǒng)僅由三個光學元件組成，它包括兩塊柱面鏡和一塊柱面光柵。dragon單色儀

其中，柱面光柵是透鏡光柵，由平面顯示屏和光柵屏組成，光經(jīng)過柱面屏衍射后打在顯示屏上形成條紋。(2)環(huán)面單色儀其中，柱面光柵是透鏡光柵，由平面顯示屏和光柵屏組成，光經(jīng)過柱面屏衍射后打在顯示屏上形成條紋。(2)環(huán)面單色儀下圖所示的是環(huán)面單色儀，TGM單色儀。它有固定包含角，入射光束和出射光束方向不變，僅由光柵繞其自身中心一位維轉動，實現(xiàn)全譜掃描，結構簡單。此系統(tǒng)的包含角為140度―160度，衍射能量為低能段。(3)平面光柵單色儀平面光柵作柵衍射理論，才大為衍射元件起始于1889年，直到1962柵衍射理論，才大為衍射元件起始于1889年，直到1962年Murty詳細研究了平面光大推進了平面光柵的應用。但是平面光柵在分光譜儀中僅起色散作用，本身無聚焦功能，必須借助第二個光學元件進行聚焦，這對它的適用范圍也有所影響。用于學生實驗室比較多。二、兩種單色儀的比較現(xiàn)在的單色儀大致上分為棱鏡單色儀和光柵單色儀，這兩種單色儀各有各的優(yōu)缺點。棱鏡的工作光譜區(qū)會受到材料的限制，因為它的允許波長有限制，當光的波長小于120nm，或大于50m時，棱鏡單色儀就無法正常工作。而光柵的工作光譜區(qū)的限制相對寬松。光柵的角色散率與波長無關，而棱鏡的角色散率卻與波長有關，所以在設計時就得考慮到不同波長的對色散率的影響。棱鏡的尺寸越大，分辨率就越高，但是這樣制造就越困難了，而且耗材多。而相同分辨率下，光柵的重量就比較輕，而且隨著光柵制作技術的不斷進步，光柵可以越做越小巧。綜合比較看來，光柵單色儀的優(yōu)點似乎略多一些，但是光柵單色儀也存在一些短處。比如光柵存在光譜重疊的問題，而棱鏡卻沒有；光柵還存在鬼線，這是由于刻劃誤差造成的，而棱鏡不存在這問題。所以，對于某些場合，棱鏡單色儀還是比光柵的更適合。這就是它們各自的優(yōu)缺點?？偨Y：單色儀最早是有棱鏡的色散發(fā)展過來的，但是棱鏡是非線性的器材，所以隨著技術的進步，人們加大了對光柵的研究。如今光柵越來越多地應用在單色儀中，它的優(yōu)點突出。當然也有缺點。但是隨著光柵生產(chǎn)技術的進步，這些缺點也在逐漸減少。起初，單色儀的測量工作主要是人來操作的，如今隨著自動化控制的進步，單色儀越來越多地采用了自動化的裝置。這