光谱仪的工作原理

2017-04-19  来自: 西安天和实验室设备有限公司 浏览次数:188

光谱仪的工作原理


    光谱分析方法作为一种重要的分析手段,在科研、生产、质控等方面都发挥着的作用。无论是穿透吸收光谱,还是荧光光谱,拉曼光谱,获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围(UV-IR),高光谱分辨率(0.001nm),自动波长扫描,完整电脑控制功能,极易和其它周边设备配合为高性能自动测试系统,使用电脑自动扫描多光栅光谱仪已成为光谱研究的。

  

    当一束复合光线进入光谱仪的入射狭缝,首先由光学准直镜准直成平行光,再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用不同波长离开光栅的角度不同,由聚焦反射镜再成像于出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。

 

   在光谱学应用中,获得单波长辐射是不可缺少的手段。除了用单色光源(如光谱灯、激光器、发光二极管)、颜色玻璃和干涉滤光片外,大都使用扫描选择波长的单色仪。尤其是当前更多地应用扫描光栅单色仪,在连续的宽波长范围(白光)选出窄光谱(单色或单波长)辐射。


光栅基础

    光栅作为重要的分光器件,他的选择与性能直接影响整个系统性能。为更好协助用户选择,在此做一简要介绍。

    光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂有金属的表面上机械刻划而成;复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点,全息光栅光谱范围广,杂散光低,且可作到高光谱分辨率。

光栅方程

    反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽,一系列平行刻槽的间隔与波长相当,光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长,在大多数方向消失,只在一定的有限方向出现,这些方向确定了衍射级次。光栅刻槽垂直辐射入射平面,辐射与光栅法线入射角为α,衍射角为β,衍射级次为m,d为刻槽间距,在下述条件下得到干涉的值:

                             mλ=d(sinα+sinβ)

定义φ为入射光线与衍射光线夹角的一半,即φ=(α-β)/2;θ为相对与零级光谱位置的光栅角,即θ=(α+β)/2,得到更方便的光栅方程:

                              mλ=2dcosφsinθ

    从该光栅方程可看出:

    对一给定方向β,可以有几个波长与级次m相对应λ满足光栅方程。比如600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角。

    对相同级次的多波长在不同的β分布开。

    含多波长的辐射方向固定,旋转光栅,改变α,则在α+β不变的方向得到不同的波长。


如何选择光栅

    选择光栅主要考虑如下因素:

    刻槽密度G=1/d,d是刻槽间隔,单位为mm。

    闪耀波长:闪耀波长为光栅衍射效率点,因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实际需要波长附近。如实际应用在可见光范围,可选择闪耀波长为500nm。

    光栅刻线:光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率,刻线多光谱分辨率高,刻线少光谱覆盖范围宽,两者要根据实验灵活选择。


关键词: 光谱仪           

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