光譜儀的工作原理

光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面都發(fā)揮著的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。由于現(xiàn)代單色儀可具有很寬的光譜范圍（UV-IR），高光譜分辨率（0.001nm），自動(dòng)波長掃描，完整電腦控制功能，極易和其它周邊設(shè)備配合為高性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使用電腦自動(dòng)掃描多光柵光譜儀已成為光譜研究的。

當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入光譜儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長（顏色）。利用不同波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。

在光譜學(xué)應(yīng)用中，獲得單波長輻射是不可缺少的手段。除了用單色光源（如光譜燈、激光器、發(fā)光二極管）、顏色玻璃和干涉濾光片外，大都使用掃描選擇波長的單色儀。尤其是當(dāng)前更多地應(yīng)用掃描光柵單色儀，在連續(xù)的寬波長范圍（白光）選出窄光譜（單色或單波長）輻射。

光柵基礎(chǔ)

光柵作為重要的分光器件，他的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。為更好協(xié)助用戶選擇，在此做一簡要介紹。

光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等。刻劃光柵是用鉆石刻刀在涂有金屬的表面上機(jī)械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息通常包括正弦刻槽?？虅澒鈻啪哂醒苌湫矢叩奶攸c(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。

光柵方程

反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對(duì)某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級(jí)次。光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級(jí)次為m，d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的值：

mλ=d（sinα+sinβ）

定義φ為入射光線與衍射光線夾角的一半，即φ=(α-β)/2；θ為相對(duì)與零級(jí)光譜位置的光柵角，即θ=(α+β)/2,得到更方便的光柵方程：

mλ=2dcosφsinθ

從該光柵方程可看出：

對(duì)一給定方向β，可以有幾個(gè)波長與級(jí)次m相對(duì)應(yīng)λ滿足光柵方程。比如600nm的一級(jí)輻射和300nm的二級(jí)輻射、200nm的三級(jí)輻射有相同的衍射角。

對(duì)相同級(jí)次的多波長在不同的β分布開。

含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變?chǔ)?，則在α+β不變的方向得到不同的波長。

如何選擇光柵

選擇光柵主要考慮如下因素：

刻槽密度G=1/d，d是刻槽間隔，單位為mm。

閃耀波長：閃耀波長為光柵衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)際需要波長附近。如實(shí)際應(yīng)用在可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm。

光柵刻線：光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率，刻線多光譜分辨率高，刻線少光譜覆蓋范圍寬，兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇。