什么是光譜儀？光與物質(zhì)相互作用引起物質(zhì)內(nèi)部原子及分子能級(jí)間的電子躍遷，使物質(zhì)對(duì)光的吸收、發(fā)射、散射等在波長及強(qiáng)度信息上發(fā)生變化，而檢測(cè)并處理這類變化的儀器被稱為光譜儀。因此，光譜儀的基本功能，就是將復(fù)色光在空間上按照不同的波長分離/延展開來，配合各種光電儀器附件得到波長成分及各波長成分的強(qiáng)度等原始信息以供后續(xù)處理分析使用。
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)揮著極大的作用。無論是穿透吸收光譜，還是熒光光譜，拉曼光譜，如何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（到0.001nm）,自動(dòng)波長掃描，完整的電腦控制功能極易與其他周邊設(shè)備融合為高性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，使用電腦自動(dòng)掃描多光柵單色儀已成為光譜研究的首選。
當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入單色儀的入射狹縫，首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡匯聚成平行光，再通過衍射光柵色散為分開的波長（顏色）。利用每個(gè)波長離開光柵的角度不同，由聚焦反射鏡再成像出射狹縫。通過電腦控制可精確地改變出射波長。
●光柵單色儀重要參數(shù)：
◆分辨率
光柵單色儀的分辨率R是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據(jù)羅蘭判據(jù)為：
R=λ/Δλ
光柵光譜儀中有實(shí)際意義的定義是測(cè)量單個(gè)譜線的半高寬(FWHM)。實(shí)際上，分辨率依賴于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)。
R∝ M·F/W
M-光柵線數(shù) F-譜儀焦距 W-狹縫寬度
◆色散
光柵光譜儀的色散決定其分開波長的能力。光譜儀的倒線色散可計(jì)算得到：沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長λ的變化，即：
Δλ/Δχ=dcosβ/mF
這里d、β、F分別是光柵刻槽的間距、衍射角和系統(tǒng)的有效焦距，m為衍射級(jí)次。由方程可見，倒線色散不是常數(shù)，它隨波長變化。在所用波長范圍內(nèi)，變化可能超過2倍。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在本樣本中，用1200l/mm光柵色散的中間值（典型的為435.8nm）時(shí)的倒線色散。
◆分辨率
光柵單色儀的分辨率R是分開兩條臨近譜線能力的度量，根據(jù)羅蘭判據(jù)為：
R=λ/Δλ
光柵光譜儀中有實(shí)際意義的定義是測(cè)量單個(gè)譜線的半高寬(FWHM)。實(shí)際上，分辨率依賴于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)。
R∝ M·F/W
M-光柵線數(shù) F-譜儀焦距 W-狹縫寬度
◆色散
光柵光譜儀的色散決定其分開波長的能力。光譜儀的倒線色散可計(jì)算得到：沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長λ的變化，即：
Δλ/Δχ=dcosβ/mF
這里d、β、F分別是光柵刻槽的間距、衍射角和系統(tǒng)的有效焦距，m為衍射級(jí)次。由方程可見，倒線色散不是常數(shù)，它隨波長變化。在所用波長范圍內(nèi)，變化可能超過2倍。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在本樣本中，用1200l/mm光柵色散的中間值（典型的為435.8nm）時(shí)的倒線色散。
◆帶寬
帶寬是忽略光學(xué)像差、衍射、掃描方法、探測(cè)器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等，在給定波長，從光譜儀輸出的波長寬度。它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。例如，單色儀狹縫為0.2mm，光柵倒線色散為2.7nm/mm，則帶寬為2.7×0.2=0.54nm。
◆波長精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度
波長精度是光譜儀確定波長的刻度等級(jí)，單位為nm。通常，波長精度隨波長變化。
波長重復(fù)性是光譜儀返回原波長的能力。這體現(xiàn)了波長驅(qū)動(dòng)機(jī)械和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性。
卓立漢光的光譜儀的波長驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性極佳，其重復(fù)性超過了波長精度。
波長準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長與實(shí)際波長的差值。每臺(tái)單色儀都要在很多波長檢查波長準(zhǔn)確度。
◆F/#
F/#定義為焦距(f)與光譜儀內(nèi)有效光學(xué)元件最小通光孔徑(D)的比值。光通過效率與F/#的平方成反比，F(xiàn)/#愈小，光通過率愈高。
帶寬是忽略光學(xué)像差、衍射、掃描方法、探測(cè)器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等，在給定波長，從光譜儀輸出的波長寬度。它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。例如，單色儀狹縫為0.2mm，光柵倒線色散為2.7nm/mm，則帶寬為2.7×0.2=0.54nm。
◆波長精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度
波長精度是光譜儀確定波長的刻度等級(jí)，單位為nm。通常，波長精度隨波長變化。
波長重復(fù)性是光譜儀返回原波長的能力。這體現(xiàn)了波長驅(qū)動(dòng)機(jī)械和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性。
卓立漢光的光譜儀的波長驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性極佳，其重復(fù)性超過了波長精度。
波長準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長與實(shí)際波長的差值。每臺(tái)單色儀都要在很多波長檢查波長準(zhǔn)確度。
◆F/#
F/#定義為焦距(f)與光譜儀內(nèi)有效光學(xué)元件最小通光孔徑(D)的比值。光通過效率與F/#的平方成反比，F(xiàn)/#愈小，光通過率愈高。
關(guān)于光柵
光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。
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薄金屬表面機(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。全息光柵通常包括正弦刻槽。刻劃光柵具有衍射效率高的特點(diǎn)，全息光柵光譜范圍廣，雜散光低，且可作到高光譜分辨率。
◆如何選擇光柵
選擇光柵主要考慮如下因素：
1、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；
選擇光柵主要考慮如下因素：
1、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；
2、閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)驗(yàn)需要波長附近。如實(shí)驗(yàn)為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm；
3、使用范圍，
3、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號(hào)損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。
3、使用范圍，
3、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號(hào)損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。
◆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。如圖1所示，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極大值：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)于零級(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，這就是為什么要加消二級(jí)光譜濾光片輪的意義。
衍射級(jí)次m可正可負(fù)。
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)粒瑒t在α+β不變的方向得到不同的波長。
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。如圖1所示，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極大值：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)于零級(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，這就是為什么要加消二級(jí)光譜濾光片輪的意義。
衍射級(jí)次m可正可負(fù)。
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)粒瑒t在α+β不變的方向得到不同的波長。
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◆倒線色散和光譜帶寬對(duì)照表
|
光柵刻線數(shù)
(g/mm) |
倒線色散(nm/mm,@435.8nm) |
|
光譜帶寬（nm,@100μm狹縫） | ||||||
|
Omni-λ150 |
Omni-λ300 |
Omni-λ500 |
Omni-λ750 |
Omni-λ150 |
Omni-λ300 |
Omni-λ500 |
Omni-λ750 | ||
|
2400 |
2.7 |
1.4 |
0.9 |
0.6 |
0.27 |
0.14 |
0.09 |
0.06 | |
|
1800 |
3.6 |
1.8 |
1.1 |
0.7 |
0.36 |
0.18 |
0.11 |
0.07 | |
|
1200 |
5.4 |
2.7 |
1.7 |
1.1 |
0.54 |
0.27 |
0.17 |
0.11 | |
|
600 |
10.8 |
5.4 |
3.4 |
2.2 |
1.08 |
0.54 |
0.34 |
0.22 | |
|
300 |
21.6 |
10.8 |
6.8 |
4.4 |
2.16 |
1.08 |
0.68 |
0.44 | |
◆光柵型號(hào)規(guī)格對(duì)照表
|
型號(hào) |
光柵刻線(g/mm) |
閃耀波長(nm) |
光柵規(guī)格(mm×mm) |
使用范圍(nm) |
|
Omni-λ150 系列用 |
|
| ||
|
5-180-H |
1800 |
- |
32x32 |
UV |
|
5-120-300 |
1200 |
300 |
32x32 |
200-600 |
|
5-120-500 |
1200 |
500 |
32x32 |
330-1000 |
|
5-060-500 |
600 |
500 |
32x32 |
330-1000 |
|
5-060-750 |
600 |
750 |
32x32 |
500-1500 |
|
5-030-500 |
300 |
500 |
32x32 |
330-1000 |
|
5-030-1250 |
300 |
1250 |
32x32 |
800-2500 |
|
Omni-λ300/500/750系列用 |
|
| ||
|
1-240-H |
2400 |
- |
68x68 |
UV |
|
1-180-H |
1800 |
- |
68x68 |
UV |
|
1-120-300 |
1200 |
300 |
68x68 |
200-600 |
|
1-120-500 |
1200 |
500 |
68x68 |
330-1000 |
|
1-060-300 |
600 |
300 |
68x68 |
200-600 |
|
1-060-500 |
600 |
500 |
68x68 |
330-1000 |
|
1-060-750 |
600 |
750 |
68x68 |
500-1500 |
|
1-060-1250 |
600 |
1250 |
68x68 |
800-2500 |
|
1-030-500 |
300 |
500 |
68x68 |
330-1000 |
|
1-030-1250 |
300 |
1250 |
68x68 |
800-2500 |
|
1-030-1800 |
300 |
1800 |
68x68 |
1200-3600 |
|
1-030-3000 |
300 |
3000 |
68x68 |
2000-6000 |
|
1-006-D |
66.6 |
3140 & 10250 |
68x68 |
3000-25000 |
|
其他規(guī)格光柵 | ||||
|
3-120-300 |
1200 |
300 |
38x50 |
200-600 |
|
3-120-500 |
1200 |
500 |
38x50 |
330-1000 |
|
3-060-1000 |
600 |
1000 |
38x50 |
660-2000 |
|
3-030-1250 |
300 |
1250 |
38x50 |
800-2500 |
|
3-015-500 |
150 |
500 |
38x50 |
330-1000 |
|
3-060-750 |
600 |
750 |
38x50 |
500-1500 |
|
6-120-500 |
1200 |
500 |
30x30 |
330-1000 |
|
7-060-500 |
600 |
500 |
18x18 |
330-1000 |
◆典型光柵效率曲線圖
