光譜儀器的基本知識ABasicIntroductionofSpectrometerInstruments,陳和北京理工大學光電學院shinianshaoTel：68918398,OPTICSSpectrometer,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,色散元件之棱鏡Prism,偏向角為：,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，偏向角大。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,最小偏向角條件,對于單色的入射光，偏向角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。,i1=i2此時：i1=i2=/2min=2i1-,根據折射定律和幾何關系可以得到最小偏向角條件：,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,最小偏向角的特點和優勢,當棱鏡工作在最小偏向角時，入射光和出射光是完全對稱的，在棱鏡內部光線平行于棱鏡底邊傳播。設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生的相差（球差，像散）最小，使得譜線成像質量好，分辨率高。光路對稱時，棱鏡不產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。對稱光路方便設計使用。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,棱鏡的角色散率,根據角色散率定義，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：增加棱鏡數目。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,棱鏡的分辨率,根據角分辨率公式，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,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,棱鏡的橫向放大率,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。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,棱鏡可用的材料,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,例子,=400nmt=5cm熔融石英n=1.47，dn/d=1100cm-1重燧石玻璃：n=1.81，dn/d=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：,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,幾種常用的棱鏡結構,Littrow棱鏡,Amici棱鏡,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,色散元件之光柵Gratings,光柵方程：,i和在法線的同一側，兩角度符號相同，取正號i和在法線的不同側，兩角度符號相反，取負號,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,m=0，所有波長不分開，沒有色散，零級光譜m0，對于一定的光柵常數和同樣的入射角，同一級次不同波長的光在空間向左右兩邊分開m0，正級光譜m0，負級光譜,對于給定光柵的最高光譜級次限制：,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,光柵的角色散率,光柵的角色散率與光柵常數d成反比光柵的角色散率與光譜級數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：,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,光柵的分辨率,則波長+d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，假設為正入射（i=0），則波長的第m級主亮條紋：,波長的第m級主亮條紋外的一階極小值滿足：,瑞利判據：,.,|,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色散消除。,.,|,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于一個小反射鏡，當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。,閃耀光柵的幾何參數a和需滿足一定條件：,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第一衍射級的極小方向上,.,|,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稱為閃耀角。上式稱為付閃耀條件。此時的光柵方程：,一般規定m=1時的波長為閃耀波長b，則：,當i=時（Littrow裝置中），閃耀波長B為：,i=又稱為主閃耀條件,.,|,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有關。,有用波長范圍的經驗公式：,閃耀波長處，光柵效率最高，在閃耀波長的兩側效率下降。下降速度隨級次增大而加快。效率大于0.4的波長范圍才被認為是有效的工作區域。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,光柵制作的要求,根據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超過光柵常數的1%，累積誤差不超過光柵常數的10%。對應用于第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，技術上的難度極大。,.,|,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；化學處理；真空鍍膜,2、光柵復制母光柵清潔，真空鍍油，鍍鋁，配制環氧樹膠，毛坯清潔，粘接與固化，分離與修正,.,|,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致譜線輪廓形狀復雜化，在較高級次的光譜中，靠近譜線會出現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產生對稱的假譜線。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，現在的光柵一般要求雜散光的相對強度小于10-5,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,常用光柵裝置類型,Littrow（李特洛）裝置類型,自準直結構，結構簡單，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。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,Ebert-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。容易產生多次衍射。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,Czerny-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。,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,光譜儀器設計的基本原則,1、保證儀器的各項基本性能2、光學系統必須能保證工作要求所需的光學性能3、儀器的最終綜合誤差必須在允許范圍內4、結構簡單合理，在指定環境下穩定可靠，并有足夠的壽命5、注意制造和裝調的工藝性，盡可能使用標準件6、在設計系列化光譜儀器時，應有一統一的基型結構，再根據不同型號的特性按模塊組合方式設計整個系列儀器7、改善易用性，講究外形美觀,.,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,|,Creativewaystoconstructwinninge-mails,如何設計一個光譜儀器,一、明確要設計儀器的類型和用途（是單色儀還是光譜儀，用在什么地方，需不需要激發光源等），調查研究，確定原始設計數據（工作波段，分辨率，色散率等），確定總體方案（選用何種光學系統，色散系統，機械結構和電子系統）。二、擬定原理方案，進行初步設計計算（包括儀器各主要部件參數計算，系統方正，誤差計算，精度分析）。三、儀器各部件的具體結構和電路設計（出各種設計的詳圖，編寫技術文檔，說明書等）四、部件加工，部件調試，整體聯調，進