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主题：【分享】知识简介 —— 光栅摄谱仪

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发表于：2012/07/12 21:50:52 楼主管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

光栅摄谱仪

光栅摄谱仪的色散元件是光栅

★ 光栅的色散作用
光栅分为透射光栅和反射光栅，用得较多的是反射光栅.反射光栅又可分为平面反射光栅（或称闪耀光栅）及凹面反射光栅。光栅是一种多狭缝元件，光栅光谱的产生是单狭缝衍射和多狭缝干涉两者联合作用的结果。单狭缝衍射决定谱线的强度分布，多狭缝干涉决定谱线出现的位置。

图10.14 平面光栅色散原理

图10.14是平面反射光栅的一段垂直于刻线截面的色散示意图.其色散作用可用光栅公式表示：

式中、 分别为入射角和衍射角，d为光栅常数，n为光谱级次，n ＝0，±1，±2，…。 角规定为正值，如果角与角在光栅法线同侧， 角取正值，异侧取负值。当n ＝0时，即零级光谱，衍射角与波长无关，即无分光作用。在n＞0的相邻光谱级次之间，会产生不同级次光谱的重叠，可采用滤光片或低色散的棱镜分级器等方法消除。

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2012/7/12 21:52:27 沙发管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

★ 光栅的光学特性
光栅的光学特性有色散率、分辨率及闪耀三个方面表示。

色散率
当入射角α 不变时，光栅的角色散率 可用光栅公式微分求得：

当 θ 很小且变化不大时，可以认为cosθ ＝1。则 ，即光栅的角色散率只决定于光栅常数d 及光谱级数n ，可以认为是常数，不随波长而变，这样的光谱在长波及短波的各波段时波长间隔是一样的，称为“均排光谱”。这是光栅优于棱镜的一个方面。
在实际工作中常用线色散率 表示，对于平面光栅来说，线色散率为：

（凹面光栅的线色散率为 ，r为曲率半径）
式中 为会聚透镜的焦距。由于则cosθ ≈1（ θ≈6^o）则。

分辨率

光栅的分辨率R为光谱级次与光栅刻痕总数N（光栅的宽度与单位长度的刻痕数的乘积）的乘积，即

例如，对于一块宽度为50mm，单位长度刻痕数为1200条/mm的光栅，在第一级光谱中（n＝1），它的分辨率为：
R ＝ nN ＝1×50×1200＝6×10⁴
可见光栅的分辨率比棱镜高得多，这是光栅优于棱镜的又一方面。光栅的宽度越大，单位长度的刻痕数越多，分辨率就越大。

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2012/7/13 18:33:07 Last edit by wccd

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2012/7/12 21:53:45 板凳管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

闪耀特性

在平面光栅中，不同级次光谱的能量分布是不均匀的。未经色散的零级（n＝0）光谱的能量最大，按正负一级、二级光谱等逐级减弱。若将光栅的刻痕刻成具有三角形的槽线，使每一刻痕的小反射面与光栅平面保持一定的夹角，以控制每一个小反射面对光的反射方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，获得特别明亮的光谱，这个现象称为闪耀，这种光栅称为闪耀光栅，刻痕的小反射面与光栅平面夹角称为闪耀角。如图10.15所示。当入射角α 、衍射角θ 和闪耀角β 相等时，即 α＝ β＝θ ，在衍射角θ 的方向上可得到最大的相对强度。光栅方程式也适用于闪耀光栅，即:

当α＝ β＝θ 时，，称为闪耀波长。
由闪耀光栅的制作看，闪耀角一定，闪耀波长也一定，即每块光栅都具有自己的闪耀特性---闪耀角，闪耀波长。在闪耀波长处，光的强度最大，而在闪耀波长附近其他波长的谱线强度仍然是比较高的。可由下式估计强度约为极大值的40％时的波长范围λ_n（n级光谱，λ_n也称闪耀范围）

图10.15 平面闪耀光栅

式中是光栅的一级闪耀波长。例如， 为300.0nm，其一级闪耀波长范围为200～600nm，质量优良的闪耀光栅可以将约80％的光能集中到所需的波长范围内。

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2012/7/13 18:30:49 Last edit by wccd

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2012/7/12 21:54:34 马扎管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

目前中阶梯光栅（Echelle光栅）已相当多地用于商品仪器，这是一种具有精密刻制的宽平刻痕的特殊衍射光栅。如图10.16所示。

图10.16 中阶梯光栅

它与普通的闪耀光栅相似，区别在于光栅的每一阶梯的宽度是其高度的几倍，阶梯之间的距离是欲色散波长的10～200倍，闪耀角大。由于中阶梯光栅具有很高的色散率、分辨率和集光本领，使用光谱区广，它在降低发射光谱检测限，改善谱线轮廓，多元素同时测定等方面都是很有用的。

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2012/7/12 22:43:06 Last edit by wccd

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2012/7/12 22:40:17 地毯管理分享倒序浏览只看楼主回复私聊

★ 光栅摄谱仪的工作流程
图10.17是常用的国产WSP－1型平面光栅摄谱仪的光路示意图，由光源B发射的光经三透镜L及狭缝S后投射到反射镜P₁上，经反射后投射至凹面反射镜M下方的准光镜O₁上，经O₁反射以平行光束照射到平面光栅G上，复合光经光栅色散后，按波长顺序分开，不同波长的各平行光束又投射到凹面反射镜上方的物镜O₂，平行光被聚焦到感光板的乳剂面上，得到按波长顺序展开的光谱。转动光栅台D,可同时改变光栅的入射角和衍射角，便可获得所需光谱的波长范围和改变光谱的级次。P₂是二级衍射反射镜，图中虚线表示二次衍射光路。为了避免一次和二次衍射光谱的相互干涉，在暗箱前设一光栏，将一次衍射光谱挡掉。不用二次衍射时，转动挡光板将二次衍射反射镜P₂挡住。