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光谱仪基础知识介绍（卓立汉光）

什么是光谱仪？光与物质相互作用引起物质内部原子及分子能级间的电子跃迁，使物质对光的吸收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，而检测并处理这类变化的仪器被称为光谱仪。因此，光谱仪的基本功能，就是将复色光在空间上按照不同的波长分离/延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。

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，都发挥着大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是*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（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的。

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可地改变出射波长。

一、光栅单色仪重要参数：

1.分辨率：
光栅单色仪的分辨率R是分开两条临近谱线能力的度量，根据罗兰判据为：R=λ/Δλ
光栅光谱仪中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。
R∝ M·F/W
M-光栅线数 F-谱仪焦距 W-狭缝宽度

2.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/mF
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，m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，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。

3.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。

4.波长精度、重复性和准确度：
①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。
②波长重复性是光谱仪返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定性。
③卓立汉光的光谱仪的波长驱动和机械稳定性，其重复性超过了波长精度。
④波长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。每台单色仪都要在很多波长检查波长准确度。

5.F/#：
F/#定义为焦距（f）与光谱仪内有效光学元件 小通光孔径（D）的比值。光通过效率与F/#的平方成反比，F/#愈小，光通过率愈高。

关于光栅：

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。
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薄金属表面机械刻划而成；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。全息光栅通常包括正弦刻槽。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。

一、如何选择光栅：
选择光栅主要考虑如下因素：
1、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；
2、闪耀波长，闪耀波长为光栅 大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm；
3、使用范围，
4、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。

二、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为相对于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，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。
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。