棱鏡式光譜儀簡介專題培訓(xùn)課件

棱鏡式光譜儀簡介光譜儀器光譜儀器是光電儀器的重要組成部分。它是用光學(xué)原理，對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成份等進(jìn)行測量、分析和處理的基本設(shè)備，具有分析精度高、測量范圍大，速度快等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、石油、化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)等部門；也是軍事偵察、宇宙探索、資源和水文探測等必不可少的遙感設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理,光譜儀可以分為兩大類:經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。根據(jù)色散組件的分光原理,光譜儀器可分為:棱鏡光譜儀,衍射光柵光譜儀和干涉光譜儀。棱鏡光譜儀是利用棱鏡的色散作用，將非單色光按波長分開的裝置。其結(jié)構(gòu)的主要部分為棱鏡前的平行光管、棱鏡和棱鏡后的望遠(yuǎn)物鏡L2。棱鏡前的平行光管，是由一會聚透鏡L1和放在它第一焦面的狹縫S所組成。當(dāng)非單色光照射狹縫后，經(jīng)平行光管產(chǎn)生非單色的平行光束。這些非單色平行光束通過棱鏡后，不同波長的平行光束經(jīng)過折射后，方向不同。再經(jīng)過棱鏡后的望遠(yuǎn)物鏡L2，不同方向（即不同波長）的平行光束，會聚到望遠(yuǎn)物鏡后焦面上的不同地方，形成一系列離散的不同波長的狹縫像，這便是光譜。若光譜儀中的望遠(yuǎn)物鏡后，再裝上一目鏡，用以直接觀察光譜，此種光譜儀就稱為分光鏡。若在望遠(yuǎn)物鏡的后焦面上，放一狹縫，將某種波長的光分離開來，則稱為單色儀。若在望遠(yuǎn)物鏡的后焦面上，放一暗盒，把不同波長的狹縫像拍攝下來，則稱為棱鏡攝譜儀。

一.光譜棱鏡的分光原理

1.棱鏡色散公式1665年牛頓發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象，他令一束平行的白光通過一塊玻璃棱鏡，在棱鏡后的屏幕上得到一條彩色光帶。這就是最原始的色散模型。如圖1－1所示是通光棱鏡主截面的光路圖。它是一個頂角為α的等腰三角形棱鏡。光束的入射方向和出射方向的夾角θ為偏向角。折射定律為

n0Sini1=nSini1'n0Sini2'=nSini2----------(1)n0ni1i1'i2θαi2'α圖1－1如果棱鏡置于空氣中，n0≈1，則（1）式為Sini1=nSini1'

Sini2'=nSini2----------(2)如圖可見α=i1'+i2----------(3)θ=（i1-i1'）+（i2'-i2）=i1+i2'-(i1'+i2)=i1+i2'-α----------(4)將折射角與入射角的關(guān)系式（2）代入上式得:由（5）式可見，對于α角已定的光譜棱鏡，當(dāng)入射角i1不變時，偏向角θ是折射率n的函數(shù)。又因?yàn)閚是波長λ的函數(shù)，所以θ隨波長的不同而不同。一束白光經(jīng)棱鏡后，各波長對應(yīng)的偏向角θ不同，即在空間上被分解開來,如圖1－2所示:----------(5)一般λ↓、n↑、θ↑2.最小偏向角條件

函數(shù)有一個最小值將⑷式對

微分最小偏向角的必要條件是

則總之：由上式可見，只有當(dāng)

時，

上式才成立。在時，有＞0。

所以上述條件，也是實(shí)現(xiàn)最小偏向角的充分條件。二、光譜棱鏡的基本特性

1.角色散率

不同波長的單色光經(jīng)過棱鏡后有不同的偏向角θ，

稱為棱鏡角色散率。角色散率

是棱鏡材料的色散率，它表示介質(zhì)的折射率隨波長的變化程度。2.光譜棱鏡的分辨率

兩條譜線波長的平均數(shù)與這兩條剛好能分辨開的譜線之間的波長差之比，成為光譜棱鏡的分辨率，即設(shè)含有兩個波長（其波長差為dλ）的一束平行光,以滿足最小偏向角條件(i2’=i1)通過圖1-4所示棱鏡，經(jīng)色散后，

其角距離為：由棱鏡矩孔衍射所決定的最小分辨角為：

要能分開兩個波長的光束，根據(jù)瑞利判據(jù)分辨率：要增大棱鏡的分辨率，可以增大棱鏡底邊長度t，選用介質(zhì)色散率大的材料。兩邊除以dλ得：光譜儀應(yīng)用光譜儀應(yīng)用很廣，在農(nóng)業(yè)、天文、汽車、生物、化學(xué)、鍍膜、色度計(jì)量、環(huán)境檢測、薄膜工業(yè)、食品、印刷、造紙、喇曼光譜、半導(dǎo)體工業(yè)、成分檢測