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    [分享]光谱仪基础知识 [复制链接]

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    离线jackaroo
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2006-06-04
    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。 4{=^J2z  
    AhSN'gWpbF  
      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。 h\OMWJ~  
    A!`Q[%$  
      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。 "[\TL#/  
    NB)22 %  
    光栅基础 b,RQ" {  
    Mvlqx J$  
      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。 X~g~U|B@  
    xAAwH@ +  
      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。 /:aY)0F0<&  
    H_7EK  
    光栅方程 Wc{/K6]f  
    ;[[oZ  
      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: agPTY{;  
    4Y}{?]>pu  
      mλ=d(sinα+sinβ) 5*Y(%I<  
    |Skhx9};  
      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: sb*)K,U  
    MJI`1*(  
      mλ=2dcosφsinθ X?OH//co  
    Z {*<G x  
      从该光栅方程可看出: r/mKuGa]  
    `-82u :"  
      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。 IkJ-*vI6  
    Dt*/tVF  
      衍射级次m可正可负。 I=9sTR)  
    QNgfvy  
      对相同级次的多波长在不同的β分布开。 5TS&NefM  
    xr1,D5  
      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。 v,A8Mk2s#  
    E4N{;'  
    如何选择光栅 'P3jUc)  
    NuC+iC$_/  
      选择光栅主要考虑如下因素: [$%O-_x  
    Q}:#H z?U  
      刻槽密度G=1/d,d是刻槽间隔,单位为mm。 {Z(kzJwN  
    'o]8UD(  
    闪耀波长 !juh}q&}|  
    |t uh/e@dx  
      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。 QL`Hb p  
    *t,1(Gw|7q  
    光栅刻线 6~c:FsZ)  
    =' <789wT  
      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。 Q6rvTV'vv  
    jdAjCy;s!  
    光栅效率 \d}>@@U&  
    |WDMyKf6J  
      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。 S!+}\*  
    MC;2.e`  
    光栅光谱仪重要参数: 0 pPSg9  
    nb}rfd.  
    分辨率(resolution) YzVhNJWpw  
    E]dmXH8A  
      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: HGlQZwf  
    ` D={l29H  
      R==λ/Δλ 5l4YYwd>v  
     6>&h9@  
      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。 fm1yZX?`  
    R∝M.F/W 6g&Ev'  
    + Un(VTD  
    M--光栅线数  F--谱仪焦距  W--狭缝宽度 3  G_0DS  
    aGq1 YOD[$  
    色散 r6gfxW5  
    /Xk-xg+U  
      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: ZfP$6%;_  
    6tF_u D  
      Δλ/Δχ=dcosβ/nF Z]qbLxJV  
    $* hqF1Q  
      这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距,n为衍射级次。由方程可见,倒线色散不是常数,它随波长变化。在所用波长范围内,改变化可能超过2倍。根据国家标准,在本样本中,用1200 l/mm光栅色散的中间值(典型的为435.8nm)时的倒线色散。 Z|$M 9E  
    _T\cJcWf  
    带宽 H<Ik.]m  
    ~kFL[Asnaf  
      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。 ! 8*l U2  
    Bht!+  
    波长精度、重复性和准确度 p(Ux]_s%  
    85?;\ 5%-  
      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。 (5a:O (\r  
    Lv UQ&NmY  
      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。 #gsJ tT9  
    ^xm%~   
      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。 AX;!-|bW  
    D$Eq~VQ  
    F/# @|([b r|O  
    #pcgfVl  
      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。
     
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    离线zlming
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    只看该作者 1楼 发表于: 2006-06-04
    L yH1tF  
    不错,不过我的专业不是这个 +}R#mco5K  
    只是看看
    离线angel_yue
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    只看该作者 2楼 发表于: 2006-06-13
    学习学习!!!!..........
    离线dongxiong
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    只看该作者 3楼 发表于: 2006-06-22
    蛮专业的啊
    离线fanfan735
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    只看该作者 4楼 发表于: 2006-06-28
    有点太概述了吧
    离线shenfeng
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    只看该作者 5楼 发表于: 2006-08-27
    好极了!!!!!!!!!
    离线sj1142203
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    只看该作者 6楼 发表于: 2006-09-04
    不错,是好东西
    离线fzjbly
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    只看该作者 7楼 发表于: 2006-09-11
    不错。。。。 !TJ,:c]4{!  
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    离线zfcboom
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    只看该作者 8楼 发表于: 2009-10-26
    学习学习!!!!..........
    离线lijuan0210
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    只看该作者 9楼 发表于: 2009-12-15
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