2.光谱仪器的色散系统-棱镜.ppt

光谱棱镜系统 平面衍射光栅系统 凹面衍射光栅系统 阶梯光栅系统 2、棱镜的分辨率 3、棱镜的横向放大率 4、恒偏向棱镜系统 （1）阿贝恒偏向棱镜 （2）瓦茨沃尔脱恒偏向系统 5、阿米西（Amici）直视棱镜 多棱镜色散系统 折射率与波长的关系——色散 反射系数 吸收系数 散射系数 五、棱镜的光能损失 由菲涅尔公式，自然光的反射系数由相互垂直振动的偏振光的反射系数决定 不同波长的光折射角不同，其反射系数也不同，因此，设计中必须计算工作光谱边界波长的反射系数。 1、反射损失: 其中 在确定棱镜的折射顶角时，虽然增加顶角可增大角色散率，实际更多以减小界面反射损失做为顶角的极限。 2、吸收损失 光束通过棱镜各部分的距离不同，简略计算可取棱镜底边长度的一半作为长度t 根据吸收公式 谱线弯曲的曲率半径公式：（推导见《光谱仪器设计》P85-） 如果棱镜对于某波长为最小偏向角，则该波长位置谱线的曲率半径计算公式为： 棱镜材料的折射率越大，光谱线弯曲的半径越小；对于给定棱镜，波长越短光谱线越弯曲。 处于子午面内 1、简单三棱镜 最常用的光谱棱镜，顶角一般约为60°，使工作光谱范围的中间波长满足最小偏向角条件，以该波长的入射和出射方向作为仪器准直、聚焦光路的光轴。 三、光谱棱镜的基本类型 （1）晶体光轴与底面平行，不产生双折射现象；（2）右旋棱镜所产生的旋光效应正好被左旋棱镜所抵消。 2、科纽（Cornu）棱镜 用石英晶体制造的简单三棱镜，有两缺陷：（1）双折射，300nm的光通过石英三棱镜且与晶轴垂直时寻常光与非常光产生的分离角为1 ° （2）旋光，旋光引起双折射，分离角约为1’ 为使以最小偏向角位置通过的光束不受双折射和旋光影响，设计科纽棱镜——用两个顶角为30°分别为左旋、右旋的直角棱镜胶合而成，晶体光轴与底面平行。 3、李特洛（Littrow）棱镜 顶角为30°的直角棱镜，广泛应用于自准直式摄谱仪，使仪器结构紧凑。 在转换波长时，只要系统绕某合适的轴旋转，使所需的波长光束满足最小偏向角条件，则光束从系统出射时偏向角保持恒定，从而使仪器的准直、聚焦光路光轴位置保持不变，使仪器结构简化。 作用：使以最小偏向角条件通过棱镜的平行光束，其偏向角恒等于某一角度 ，不随入射角变化，也与波长无关。 由两块30 °的分光棱镜和一块直角反射棱镜组成， 在最小偏向角条件下，出射光束与入射光束夹角恒等于90°。 为提高精度，减小加工误差，可制成一整块棱镜 多用于可见光谱范围的单色仪，转换波长时棱镜绕AB中点O转动，所有波长均满足最小偏向条件。 最小偏向角与i1无关，即与波长无关。也就是说无论什么波长只要满足最小偏向角度入射，偏向角度均为90度。 证明： 一整块的阿贝恒偏向棱镜 常用的 反射镜与三棱镜顶角平分线夹角为 ，当平行光束以最小偏向角通过棱镜，再经过反射后，反射光束方向与入射光束方向夹角 是恒定的，并且多用于红外光谱范围的单色仪。 由简单三棱镜与平面反射镜组合的系统。 ∵ 2∠RKM0=180o－δmin ∴ ∠RKM0=90o－δmin/2 （1） 根据反射定律 ∠R M0K= ∠L M0K’ ∴ ∠KM0 L =180o－2∠R M0K （2） 而在⊿R M0K中， ∠R M0K=180o－Φ －∠R K M0 （3） （1） 代入（3）得 ∠R M0K=180o－ Φ－90o＋δmin/2=90o－ Φ＋δmin/2 （4） （4）代入（2）得 ∠K M0L=180o－2[90o－Φ＋δmin/2]=2Φ －δmin （5） 在⊿KM0L中，θc=180o－ δmin－∠K M0L=180o－2Φ （6） 试证：下图中θc=180o－2Φ 各块棱镜的色散是互相反向的，互相抵消一部分，整个棱镜系统的色散不大； 阿米西棱镜较常用，两侧玻璃为低折射率的冕牌玻璃，中间为高折射率大色散的火石玻璃； 能使复色光发生色散，且中间波长通过棱镜系统后的偏向角为零的棱镜系统称为直视棱镜系统； 常用于小型、便携或直接用眼睛观察的仪器中，如手提式看谱仪，中间波长偏向角为零，其它波长偏转，使结构紧凑。 大型光谱仪要求高分辨率、大角色散率，往往用几块棱镜组合成多棱镜色散系统 如图，由2块简单三棱镜和一块阿贝恒偏棱镜组合而成，为保持系统总偏向角为恒定90°，中间波长通过各棱镜时均为最小偏向角。转换波长时棱镜分别绕各自转轴转动，且棱镜II转速为I，III的3倍。 具有色散率大，90°恒偏的优点 四、棱镜的材料 （在一定的光谱范