光栅式光谱仪原理浅析.ppt

一、光谱仪的构成 光谱仪一般由5部分构成： 二 、平面衍射光栅的分光原理 （一）光栅方程式 反射式平面衍射光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽而 又等间隔的刻痕所形成的元件，一般的光栅在一毫米内刻有几 十条至数千条的刻痕，光栅光谱仪中，光栅刻划面积只有 100mm×80mm。 如图12.2-2所示，光栅光谱仪中，入射与出射光在光栅法线异侧，取负号。 由式（1）和（2）可得相邻两光线干涉极大值的条件——光栅方程式为： 式中 ：i——入射角（同侧取+号，在异侧取负号） θ ——衍射角 d ——刻痕间距，通常称为光栅常数 m ——光谱级次，m＝0，±1，±2,…… （3）式可改写成： （二）讨论 由（4）式看出，当栅距d和入射角i一定时， 1. m≠0非零级 时,λ↑, θ↑ 从±1级开始，不同波长的同一级 主极大，按波长次序由短波向长波散 开（图12.2-4）。 2. m=0时，零级光所有波长都混在一起，没有色散， 称零级光谱。其位置对应于反射方向，即在零级光 两边，m0 称正极光谱；m0 称负级光谱。 （三）限制条件 最高光谱级次受条件 限制 。 即 这是为获得某一波长的m级次光谱而选用光栅 时必须遵守的。 例：m=1(通常用1级光谱）,光栅刻线数1200线/mm。求λ？ 解：根据（5）式： 故此光栅只能用于可见光和近红外波段。 三、光栅式单色仪系统 1.切尔尼—特纳系统（Czerny-Turner） 光栅中心位于入射光线与出射光线的对称轴上，两个球面反射镜的焦距均为 300mm,入射与出射狭缝位于球面镜的焦面。 平面反光镜作为折光镜将出射光线折转 900，以使出缝与入缝 900的垂直分布，可以避免因为光源与光电接收器距离过近而相互干扰。 复色光源经入射狭缝照明在球面镜（一）上，此镜将平行光投射到光栅上，光栅将复色光衍射分光，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面镜（二）上，此镜将接收的平行光束聚焦在出缝处，从而得到一系列按波长排列的光谱。透过出缝射出的光束只是光谱宽度很窄的一束单色光。 扫描机构运行时，光栅随之旋转，这样就可以得到所选择的单色光。 光路中的光栏和挡光板起限制视场外多余光束的作用，以利于减少仪器的杂散光。 四、光栅的转动机构 1.由光栅转角测波长 单色仪和分光光度计中，入射和出射狭缝位置 都是固定的，所以一旦光栅安装好后，入射光与出 射光之间的夹角δ就固定不变了，如图12.2-6所示 (图中δ=900)。用δ角的平分线B作为光栅转动角度 的度量起点线，当光栅转动角度时（N为光栅法线） 应有以下关系式： 因此可得： 由光栅方程 可得 带入（6）式可得： 其中 问题：φ与λ是非线性关系！如何转化为线性关系测量? 2.正弦机构实现波长的线性测量 为了实现线性化测量，光栅光谱仪中设计了正 弦机构。如图12.2-7所示光栅垂直定位于一个转盘 上，光栅、转盘以及摇杆AC联接成一体形成一个构 件，它们绕机架上的A点转动，转角为。摇杆AC和 螺杆B组成正弦机构。 光栅光谱仪巧妙地用一个正弦机构进行非线性矫正，把波长与光栅转角的非线性关系，变成波长与螺杆位移的线性关系，实现了测量的线性化 。 五.平面衍射光栅的基本特性 1.光栅的角色散率（d一定，入射角i不变） 对光栅方程式（3）式微分，得： 讨论： ⑴ 与光栅常数d成反比，在遵守（5）式条件下，d选得小可获得大的色散率。 ⑵ 与m成正比 ⑶ 与cosθ成反比，当改变i时，θ 越大，则 越大（增大角色散率）。 ⑷ 在靠近光栅平面的法线范围内 （8）式为： 则θ与λ差不多成线性关系。 这种色散为常数的光谱称为“正常光谱”或“匀排光谱” 2.光栅的线色散率 3.光栅的分辨率 光栅的分辨率定义 根据两条波长差为dλ的等强度谱线的瑞利判据来 确定分辨率。 根据瑞利判据，当波长λ的第一最小值落在(λ＋ dλ)的m级最大值处，这两条波长谱线可被分辨，即： θm1=θm’ 波长 的m级主亮条纹满足条件 波长λ的m级主亮条纹外第一最小值满足条件 θm1=θm’ ，则 * * 1.光源 2.照明准直 3.