光谱仪基础知识介绍

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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极大的作用。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首选。
　　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。
　　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。
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。如图1所示，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极大值：
　　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。
衍射级次m可正可负。
　　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
　　闪耀波长为光栅最大衍射效率点，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。
光栅效率
　　光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。
　　光栅光谱仪重要参数：分辨率(resolution)
　　光栅光谱仪的分辨率R是分开两条临近谱线能力的度量，根据瑞利判据为：
　　R==λ/Δλ
　　光栅光谱仪有实际意义的定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM)。实际上，分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数等。
R∝M.F/W
M--光栅线数　　F--谱仪焦距　　W--狭缝宽度
　　色散
　　光栅光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到：沿单色仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即：
　　Δλ/Δχ=dcosβ/nF
　　这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，n为衍射级次。由方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，改变化可能超过2倍。根据国家标准，在本样本中，用1200l/mm光栅色散的中间值（典型的为435.8nm）时的倒线色散。
带宽
　　带宽是忽略光学像差、衍射、扫描方法、探测器像素宽度、狭缝高度和照明均匀性等，在给定波长，从光谱仪输出的波长宽度。它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。例如，单色仪狭缝为0.2mm，光栅倒线色散为2.7nm/mm，则带宽为2.7*0.2=0.54nm。
波长精度、重复性和准确度
　　波长精度是光谱仪确定波长的刻度等级，单位为nm。通常，波长精度随波长变化，本样本中为最坏的情况。
　　波长重复性是光谱仪设定一个波长后，改变设定，再返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定性。卓立汉光的光谱仪的波长驱动和机械稳定性极佳，其重复性超过了波长精度。
波长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差别。每台单色仪都要在很多波长检查波长准确度。
F/#
　　F/#定义为光谱仪的直径与焦距的比值。这是对光谱仪接收角的度量，这是调整单色仪与光源及探测器耦合的重要参数。当F/#匹配时，可用上光谱仪的全部孔径。但是大多数单色仪应用长方形光学部件。这里F/#定义为光谱仪的等效直径与焦距的比值，长方形光学件的等效直径是具有相同面积的园的直径。