3.光谱仪器的色散系统—光栅.ppt

;平面衍射光栅;;1、光栅的角色散率（色散本领）;特别地，当衍射角很小时;例题1：;2、光栅的分辨率;有;若将光栅方程的m代入分辨率公式，得到：;对于500nm波长，;3、光栅的叠级和自由光谱范围;可由两个相邻的级次能够重叠的谱线波长差求出：;4、光栅的横向放大率; ;(a)为普通光栅，光能集中在零级；;（1）使所预设要求的光栅衍射光方向置于沟槽小反射镜（即截面A）的零级主极大方向(即镜面反射光方向) ；;条件（1）：如图，使所要求的光栅衍射光方向与截面A的镜面反射光(即零级主极大)方向重合。;代入光栅方程，得;由于;一般规定m=1时的波长为闪耀波长。;在李特洛装置下，;光栅的衍射效率;;光栅的异常;;与棱镜类似，实际的光谱仪器中狭缝都是具有一定高度的，从狭缝上非主截面内的点发出的光线都是以不同的角度倾斜入射到光栅面上，经光栅后衍射光束也不在主截面内，因此也会导致谱线的弯曲。;总光程差为;称为向量?的方向余弦, 记为(l,m,n);设入射光束的方向余弦为l,m,n；衍射光束的方向余弦为l’,m’,n’ 则; 分别为入射、衍射光束在主截面投影与光栅法线的夹角;对于高度为h/2的端点;整理并取近似得到两衍射角的差值为;2) 在同一级光谱中，波长越长，衍射角越大，因此光栅谱线产生的谱线弯曲是弯向长波区域。;谱线弯曲矢高：;凹面衍射光栅;;采用刻划方式加工的凹面光栅存在较严重的像散像差（由于刻槽间距在凹面的弦位置等分，在球面位置不再等分）；而采用全息方法可以很好的减小这种系统误差。;一、光程表示式;主截面上，对于凹面顶点O，入射角、衍射角分别为;又;由光栅球面方程;x略去四级以上小量,取近似;;;将s代入，略去y、z的四级高阶小量，整理得;考虑狭缝中点发光情况(子午面，即xoy面内)，c=0, z=0，只考虑一次项。;凹面光栅主截面衍射主极大的条件为;狭缝中点发出的在主截面(即子午面xoy面)内的光束，有c=0, z=0，只考虑到二次项，略去高次项有：;要获得清楚、明锐的谱线，入射狭缝、象以及凹面光栅三者的位置必须满足关系式:;令公式的两项分别为零;上式为圆的方程，圆直径为光栅的曲率半径，称此圆为罗兰圆。如果狭缝点A位于罗兰圆上，则光线经光栅衍射后形成的主极大点也位于罗兰圆上。;2、瓦茨沃斯装置;保持入射狭缝位置以及入射和衍射光线间的夹角不变，在一定范围内r’值也不变，这类装置称为罗兰圆外装置。;前面分析衍射极大值和聚焦条件时，只考虑主截面内的光线，并略去高次项。这些高次项表征凹面光栅的像差，凹面光栅的像差主要有像散、球差、彗差。;考虑狭缝中点发出的弧矢细光束的聚焦条件，光程表达式考虑与 z 有关的项，略去高次项，得到光程差;但该式与前面聚焦条件推导出的下式;像散用沿光轴测量的弧矢焦点和子午焦点间距离 r’st 来量度。;简化整理得到：;将 表达式代入上式，整理后得到;由上式可知：凹面光栅产生像散与入射角、衍射角及光栅刻槽的长度H有关。;采用瓦茨沃斯装置时，在0度衍射角附近彗差波像差为0。;五、凹面光栅光谱的基本特征; 则;凹面光栅的分辨率为R=mN，当刻划宽度达到一定数值时，像差会导致分辨率下降，因此不能象平面光栅一样通过增加总刻槽数目N来提高分辨率。;因此，可以通过确定 x 的允许值确定允许的光栅宽度y。;在主截面内的球面方程为;凹面光栅会产生较严重的象散像差，所以在狭缝象（光谱线）上光强分布不均匀；存在谱线弯曲时，或狭缝与刻槽方向不平行时，谱线强度的分布更加复杂。;有;减小光栅本身的象散或在仪器中校正象散是凹面光栅光谱仪器的一项主要研究方向。;1、一般要求：;母光栅上涂油膜→镀铝膜→ 用树脂粘在基底上。;缺点是：衍射效率较低。刻槽截面一般为近似正弦，槽形不具备闪耀条件，采用“离子蚀刻”技术的全息光栅，使光栅衍射效率得到较大提高。;制成方法: (1)在玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层。 (2)由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，则光敏物质被感光。 (3)用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像，所制得为透射式衍射光栅。 如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜后，可制成反射式衍射光栅。 ;新型凹面光栅;超环面凹面光栅：普通球面凹面光栅只有一个回转半径，超环面凹面光栅具有两个回转半径;x, y 方向的曲率可以不同，一个方向是非球面，另一方向为球面。;二、不等槽距的凹球面光栅;不等距凹球面光栅聚焦曲线;阶梯光栅;一、反射式阶梯光栅;当入射光与衍射光接近于阶梯的法线时，;3、反射式阶梯光栅的自由光谱范围;4、反射式阶梯光栅的分辨率与分辨极限;5、反射式阶梯光栅的光谱强度分布;二、透射式阶梯光栅