單色儀簡(jiǎn)介和比較

單色儀簡(jiǎn)介和比較1666年，牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光在通過(guò)三棱鏡后被分解成了七色光。1814年，夫瑯禾費(fèi)設(shè)計(jì)了一套包括棱鏡、狹縫和視窗的光學(xué)系統(tǒng)并觀(guān)察了太陽(yáng)光譜中的吸收譜線(xiàn)。1860年，克?；舴蚝捅旧鸀檠芯拷饘俟庾V而設(shè)計(jì)了較完善的現(xiàn)代光譜儀——這標(biāo)志著光譜學(xué)的誕生。如今光譜分析已經(jīng)是研究物理光學(xué)的主要分析手段，在科研和生產(chǎn)等方面發(fā)揮著極大的作用。在光譜分析中，無(wú)論是對(duì)熒光光譜，還是穿透吸收光譜，亦或是拉曼光譜的研究，獲得單色光都是不可缺少的手段。其方法有很多，如單色光源、顏色玻璃和干涉濾光片。除此之外，單色儀也是一種常見(jiàn)的獲得單色光的方法。單色儀一般通過(guò)色散、衍射等方法，將紫外、可見(jiàn)和紅外的光譜區(qū)里的復(fù)合光分解成不同波長(zhǎng)的單色光。按照不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，單色儀可以分為很多種。常用的分類(lèi)是：光柵單色儀和棱鏡單色儀兩種。光柵單色儀按光束入射方式可分為正入射、掠入射和投射單色儀；按光學(xué)系統(tǒng)分布可分為羅蘭圓和非羅蘭圓兩種；按衍射光柵面型可分為平面、球面和環(huán)面單色儀三種。一、單色儀的分類(lèi)簡(jiǎn)介1、棱鏡單色儀棱鏡單色儀是晶體單色卜帝先―簟—卜 色般，氏 卜」一系裳.儀的一種，此 一沁f體:匯:'^件。用作同步輻射X射線(xiàn)波段的分光系統(tǒng)，由于晶體單色儀的衍射面是晶格面，所以對(duì)真空環(huán)境的要求可以比較低（10-「2）。普通的棱鏡單色儀通常由三部分組成，準(zhǔn)光鏡系統(tǒng)、色散系統(tǒng)和成譜系統(tǒng)。如上圖所示。①準(zhǔn)光鏡系統(tǒng)：它是由準(zhǔn)直光物鏡1_1和放在L1焦平面上的狹縫S組成；②色散系統(tǒng)，它是由棱鏡P等組成；③成譜系統(tǒng)，它是由物鏡12和其焦平面上的像屏組成。成譜系統(tǒng)形式的不同，儀器的名稱(chēng)就不同。若采用的是望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀(guān)察光譜，則叫做“棱鏡分光鏡”；若采用物鏡和感光板進(jìn)行攝譜，則叫做“棱鏡攝譜儀”；若用狹縫來(lái)分離譜線(xiàn)，就叫做“單色儀”。棱鏡單色儀原理是復(fù)色光從狹縫進(jìn)入，準(zhǔn)光鏡系統(tǒng)能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)變成平行光，然后入射棱鏡。色散系統(tǒng)將來(lái)自準(zhǔn)光系統(tǒng)的平行光均勻而廣泛地照射在棱鏡P的折射面A上，經(jīng)過(guò)棱鏡的折射后，復(fù)平行光就分解成沿不同方向傳播的單色光。然后成譜系統(tǒng)將沿不同方向的單色平行光會(huì)聚與焦平面上，從而獲得一幅彩色的光譜線(xiàn)圖。

其實(shí)每一根譜線(xiàn)是狹縫的一個(gè)像。為了使譜線(xiàn)像差小、成像清晰、體積小、集光本領(lǐng)強(qiáng)，人們對(duì)結(jié)構(gòu)做了重要的改進(jìn)。如圖所示的是WDF型棱鏡單色儀。亞口1"型是一種反射式棱鏡單色儀，它是將上述準(zhǔn)光鏡系統(tǒng)中的凸透鏡口和物鏡L2用兩塊凹面反射鏡M1、M2代替。其優(yōu)點(diǎn)是能夠使狹縫射進(jìn)來(lái)的復(fù)色光變成平行光的平行性更好，且凹面鏡對(duì)各種不同波長(zhǎng)的平行光聚于焦平面上的像不會(huì)有前后之分。對(duì)于色散系統(tǒng)，只有復(fù)色光中以最小偏向角色散的單色光才能夠通過(guò)狹縫S2，這樣就可以通過(guò)控制棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)單色儀的定標(biāo)了。2、光柵單色儀與棱鏡單色儀不同，光柵單色儀是通過(guò)衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)色光的分解的。光柵光譜儀是多種多樣的，其主要是由光柵、狹縫、成象系統(tǒng)和感光板（或出射狹縫）等部件組成。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(zhǎng)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(zhǎng)，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，圖i多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，圖i反射式新射光?這些方向確定了衍射級(jí)次。如上圖所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線(xiàn)入射角為a,衍射角為8,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：d(sina+sin8)=m入 (1)定義0為入射光線(xiàn)與衍射光線(xiàn)夾角的一半，即Q=(a-B)/2；8為相對(duì)于零級(jí)光譜位置的光柵角，即8=(a+B)/2,得到更方便的光柵方程：2dcos0sine=m入(2)從該光柵方程可看出：(1)對(duì)一給定方向8,可以有幾個(gè)波長(zhǎng)與級(jí)次由相對(duì)應(yīng)的人滿(mǎn)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)次田可正可負(fù)。(2)對(duì)相同級(jí)次的多波長(zhǎng)在不同的8分布開(kāi)。(3)含多波長(zhǎng)的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變a,則在a+8不變的方向得到不同的波長(zhǎng)。所以，光柵干涉儀的結(jié)構(gòu)大多是保持入射狹縫和出射狹縫不動(dòng)，僅光柵自身轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)譜線(xiàn)的掃描和波長(zhǎng)的選擇。SI光柵單色儀與棱鏡單色儀最大的不同主要是在光學(xué)系統(tǒng)上。以WDP500-C平面光柵單色儀為例，如圖所示，這是SI一種平面光柵單色儀的光學(xué)系統(tǒng)。它的工作原理是光源發(fā)出的光均勻的照亮在位于拋物鏡的焦平面上的狹縫S1,然后經(jīng)過(guò)凹面鏡M1的反射到光柵G上。由光柵的衍射光再經(jīng)過(guò)M1、M2的反射后射出狹縫S2。相比于棱鏡單色儀來(lái)說(shuō)，光柵單色儀由于沒(méi)有太多折射，光強(qiáng)減少相對(duì)較小，出射光強(qiáng)較大。因此光柵單色儀比較容易與其它檢測(cè)設(shè)備配套使用。由于光柵相對(duì)于棱鏡來(lái)說(shuō)體積較小，并且光柵制作技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在光柵單色儀的應(yīng)用更加廣泛。因此，光柵單色儀的分類(lèi)也就比較多了。下面簡(jiǎn)介三種光柵單色儀：（1）柱面單色儀（Dragon單色儀）下圖所示的是柱面元件單色儀，它的目的是在保證衍射光束成像質(zhì)量的前提下，以最小數(shù)目的光學(xué)元件、最簡(jiǎn)單的可靠波長(zhǎng)掃描運(yùn)動(dòng)和最容易制造的光學(xué)表面形狀為基點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)其分光的作用系統(tǒng)僅由三個(gè)光學(xué)元件組成，它包括兩塊柱面鏡和一塊柱面光柵。dragon單色儀

其中，柱面光柵是透鏡光柵，由平面顯示屏和光柵屏組成，光經(jīng)過(guò)柱面屏衍射后打在顯示屏上形成條紋。(2)環(huán)面單色儀其中，柱面光柵是透鏡光柵，由平面顯示屏和光柵屏組成，光經(jīng)過(guò)柱面屏衍射后打在顯示屏上形成條紋。(2)環(huán)面單色儀下圖所示的是環(huán)面單色儀，TGM單色儀。它有固定包含角，入射光束和出射光束方向不變，僅由光柵繞其自身中心一位維轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)全譜掃描，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。此系統(tǒng)的包含角為140度―160度，衍射能量為低能段。(3)平面光柵單色儀平面光柵作柵衍射理論，才大為衍射元件起始于1889年，直到1962柵衍射理論，才大為衍射元件起始于1889年，直到1962年Murty詳細(xì)研究了平面光大推進(jìn)了平面光柵的應(yīng)用。但是平面光柵在分光譜儀中僅起色散作用，本身無(wú)聚焦功能，必須借助第二個(gè)光學(xué)元件進(jìn)行聚焦，這對(duì)它的適用范圍也有所影響。用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)室比較多。二、兩種單色儀的比較現(xiàn)在的單色儀大致上分為棱鏡單色儀和光柵單色儀，這兩種單色儀各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。棱鏡的工作光譜區(qū)會(huì)受到材料的限制，因?yàn)樗脑试S波長(zhǎng)有限制，當(dāng)光的波長(zhǎng)小于120nm，或大于50m時(shí)，棱鏡單色儀就無(wú)法正常工作。而光柵的工作光譜區(qū)的限制相對(duì)寬松。光柵的角色散率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而棱鏡的角色散率卻與波長(zhǎng)有關(guān)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)就得考慮到不同波長(zhǎng)的對(duì)色散率的影響。棱鏡的尺寸越大，分辨率就越高，但是這樣制造就越困難了，而且耗材多。而相同分辨率下，光柵的重量就比較輕，而且隨著光柵制作技術(shù)的不斷進(jìn)步，光柵可以越做越小巧。綜合比較看來(lái)，光柵單色儀的優(yōu)點(diǎn)似乎略多一些，但是光柵單色儀也存在一些短處。比如光柵存在光譜重疊的問(wèn)題，而棱鏡卻沒(méi)有；光柵還存在鬼線(xiàn)，這是由于刻劃誤差造成的，而棱鏡不存在這問(wèn)題。所以，對(duì)于某些場(chǎng)合，棱鏡單色儀還是比光柵的更適合。這就是它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)?？偨Y(jié)：?jiǎn)紊珒x最早是有棱鏡的色散發(fā)展過(guò)來(lái)的，但是棱鏡是非線(xiàn)性的器材，所以隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們加大了對(duì)光柵的研究。如今光柵越來(lái)越多地應(yīng)用在單色儀中，它的優(yōu)點(diǎn)突出。當(dāng)然也有缺點(diǎn)。但是隨著光柵生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，這些缺點(diǎn)也在逐漸減少。起初，單色儀的測(cè)量工作主要是人來(lái)操作的，如今隨著自動(dòng)化控制的進(jìn)步，單色儀越來(lái)越多地采用了自動(dòng)化的裝置。這