光譜儀基本知識演示文稿

光譜儀基本知識演示文稿目前一頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點光譜儀基本知識目前二頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之棱鏡Prismɑi1θi'1i2i'2偏向角θ為：對于一定的入射角，偏向角隨折射率n變化。一般地，波長短，折射率大，偏向角θ大。目前三頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails最小偏向角條件對于單色的入射光，偏向角θ隨入射角變化而變化，對于某一個入射角，偏向角存在最小值。ɑi1θi'1i2i'2i1=i'2此時：i'1=i2=α/2θmin=2i1-α根據(jù)折射定律和幾何關(guān)系可以得到最小偏向角條件：目前四頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails最小偏向角的特點和優(yōu)勢當(dāng)棱鏡工作在最小偏向角時，入射光和出射光是完全對稱的，在棱鏡內(nèi)部光線平行于棱鏡底邊傳播。設(shè)計棱鏡光譜儀器時一般使色散棱鏡（對某個中間波長）處于它的最小偏向角位置上進行工作。對稱的光路可以使得棱鏡產(chǎn)生的相差（球差，像散）最小，使得譜線成像質(zhì)量好，分辨率高。光路對稱時，棱鏡不產(chǎn)生附加的橫向放大率（針對一個特定波長而言。）可以充分利用棱鏡的有效孔徑，使得尺寸最小。對稱光路方便設(shè)計使用。目前五頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡的角色散率根據(jù)角色散率定義，在最小偏向角情況下的棱鏡角色散率為：增加角色散率的方法：1減小入射角（雜散光影響）2增大折射頂角（全反射限制）3增大材料色散（材料和價格限制）最常用的方法：增加棱鏡數(shù)目。目前六頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡的分辨率tDlɑD'λ+dλλdθ根據(jù)角分辨率公式，有：矩孔衍射決定的最小分辨角為：（最小偏向角情況）實際情況目前七頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡的橫向放大率ɑi1i'1i2i'2DD'棱鏡非主截面的光譜線彎曲狹縫的像在焦平面上不是一條直線而是一條彎曲的光譜線，彎曲的方向朝向短波方向。原因：非狹縫中心的光線進入棱鏡時，不是通過棱鏡的主截面，而是在傾斜截面上折射，此時的色散率和偏向角都和主截面上的不同。目前八頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails棱鏡可用的材料目前九頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails例子λ=400nmt=5cm熔融石英n=1.47，dn/dλ=1100cm-1重燧石玻璃：n=1.81，dn/dλ=4400cm-1

（考慮一等邊棱鏡，頂角60度，成像透鏡焦距f=100mm）角色散率：線色散率：分辨率：目前十頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails幾種常用的棱鏡結(jié)構(gòu)Littrow棱鏡Amici棱鏡目前十一頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails目前十二頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails色散元件之光柵

Gratings光柵方程：i和θ在法線的同一側(cè)，兩角度符號相同，取正號i和θ在法線的不同側(cè)，兩角度符號相反，取負(fù)號diθn目前十三頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsm=0，所有波長不分開，沒有色散，零級光譜m≠0，對于一定的光柵常數(shù)和同樣的入射角，同一級次不同波長的光在空間向左右兩邊分開m>0，正級光譜m<0，負(fù)級光譜對于給定光柵的最高光譜級次限制：目前十四頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵的角色散率光柵的角色散率與光柵常數(shù)d成反比光柵的角色散率與光譜級數(shù)成正比光柵的角色散率與衍射角余弦成反比在靠近法線位置：目前十五頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵的分辨率則波長λ+dλ的第m級主亮條紋：考慮一塊理想光柵，入射和衍射光線都位于主截面內(nèi)，假設(shè)為正入射（i=0），則波長λ的第m級主亮條紋：波長λ的第m級主亮條紋外的一階極小值滿足：瑞利判據(jù)：目前十六頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵光譜的疊級和自由光譜范圍等式左邊不變，右邊可以是不同級次的不同波長，即這種現(xiàn)象稱為光譜的疊級。一個光譜級中不受其他級次光譜重疊的波段稱為自由光譜范圍。光譜疊級可以用濾光片和預(yù)色散消除。目前十七頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails閃耀光柵原理：對于閃耀光柵，每個刻痕斷面都相當(dāng)于一個小反射鏡，當(dāng)衍射光線主要集中于反射方向上，能量可以集中在所需要的某一光譜級次的波段范圍內(nèi)。βn'niθβ'ααad閃耀光柵的幾何參數(shù)a和ɑ需滿足一定條件：一、反射方向與需要的衍射方向一致二、光柵零級主極大方向在單縫的負(fù)第一衍射級的極小方向上目前十八頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails閃耀波長對于確定的光柵，對于一定的入射角，衍射角的方向與反射方向一致的波長，稱為光柵的閃耀波長。此時的衍射角稱為光柵的閃耀方向。正如前面所示，此時要滿足：我們將刻槽面與光柵平面的夾角α稱為閃耀角。上式稱為付閃耀條件。此時的光柵方程：一般規(guī)定m=1時的波長為閃耀波長λb，則：當(dāng)i=θ=α?xí)r（Littrow裝置中），閃耀波長λB為：i=θ=α又稱為主閃耀條件目前十九頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails閃耀光柵的效率絕對效率：在給定的光譜級中，衍射光的通量對入射的單色光通量之比。光柵效率一般決定于刻槽的輪廓和密度，而且隨波長變化。光柵效率也和入射光的角度以及偏振態(tài)有關(guān)。有用波長范圍的經(jīng)驗公式：閃耀波長處，光柵效率最高，在閃耀波長的兩側(cè)效率下降。下降速度隨級次增大而加快。效率大于0.4的波長范圍才被認(rèn)為是有效的工作區(qū)域。目前二十頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵制作的要求根據(jù)理論計算和實際工作：一塊用于一級光譜的光柵，它的刻線隨機誤差和周期誤差不應(yīng)超過光柵常數(shù)的1%，累積誤差不超過光柵常數(shù)的10%。對應(yīng)用于第m級光譜的光柵，上述誤差的許可值將與光柵的光譜級次成反比。例：應(yīng)用1級光譜的1200L/mm光柵，隨機誤差和周期誤差不大于0.008um，而累積誤差要小于0.08um要達到如此高的精度，技術(shù)上的難度極大。目前二十一頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵的制造方法1、機械刻劃精選玻璃毛坯，真空鍍膜，刻劃槽型，檢驗3、全息法制造玻璃毛坯精選和加工；涂光致抗蝕劑；曝光；化學(xué)處理；真空鍍膜2、光柵復(fù)制母光柵清潔，真空鍍油，鍍鋁，配制環(huán)氧樹膠，毛坯清潔，粘接與固化，分離與修正目前二十二頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails光柵制造中的缺陷伴線刻線間距的偶然的和局部的誤差導(dǎo)致譜線輪廓形狀復(fù)雜化，在較高級次的光譜中，靠近譜線會出現(xiàn)微弱的大多不對稱的伴線。伴線相對強度較小時，并不影響分辨率，但是影響譜線輪廓的研究。鬼線是由刻劃中的周期性誤差引起的，這樣會在真譜線兩側(cè)產(chǎn)生對稱的假譜線。有羅蘭鬼線和賴曼鬼線兩種。雜散光刻劃中的各種局部誤差和隨機誤差，以及光潔度的不足等都會引起雜散光的存在，現(xiàn)在的光柵一般要求雜散光的相對強度小于10-5目前二十三頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mails常用光柵裝置類型Littrow（李特洛）裝置類型自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊。狹縫和光柵之間盡可能近。用拋物面鏡作反射時，可以沒有球差，且慧差最小。譜線彎曲無法消除。雜散光比較多。目前二十四頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsEbert-Fastie(艾伯特-法斯梯)裝置類型通過掃描光柵來獲得不同的波長剩余慧差小。適用于單色儀。光柵尺寸大的時候不能適用。容易產(chǎn)生多次衍射。目前二十五頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creativewaystoconstructwinninge-mailsCzerny-Turner(切爾尼-特納)裝置類型此裝置是Ebert-Fastier裝置的改進版，避免了多次衍射，能夠適用更大的光柵，還可以更好消除球差。目前二十六頁\總數(shù)二十八頁\編于十二點|Creativewaystoconstructwinninge-mails|Creat