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第 3 章 光谱仪器系统

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第 3 章 光谱仪器系统. 3.1 光谱仪器概论 3.2 光源 3.3 色散系统 3.4 探测器 3.5 光谱信息化处理. 3.3 色散系统. 3.3.1 棱镜 3.3.2 光栅 3.3.3 法布里 - 帕罗干涉仪 3.3.4 傅立叶变换干涉仪 3.3.5 其它. 概述. 基本功能： 将复色光分解为单色光 色散系统是光谱仪器的 核心部件 光谱仪器的 工作范围 和 光谱分辨率 主要取决于它 色散系统的分辨率一般用 光谱分辨本领 表示. 3.3.1 棱镜.

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第 3 章 光谱仪器系统

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Presentation Transcript

  1. 第3章 光谱仪器系统 3.1 光谱仪器概论 3.2 光源 3.3 色散系统 3.4 探测器 3.5 光谱信息化处理

  2. 3.3 色散系统 3.3.1 棱镜 3.3.2 光栅 3.3.3 法布里-帕罗干涉仪 3.3.4 傅立叶变换干涉仪 3.3.5 其它

  3. 概述 • 基本功能：将复色光分解为单色光 • 色散系统是光谱仪器的核心部件 • 光谱仪器的工作范围和光谱分辨率主要取决于它 • 色散系统的分辨率一般用光谱分辨本领表示

  4. 3.3.1 棱镜 • 基本原理：透明介质对于不同波长的光具有不同的折射率，因此光通过棱镜后的偏折角也因波长而异

  5. 棱镜光谱分辨本领 时，最小偏折角 上式对波长求导，角色散率 角色散率与有效孔径d乘积为光谱分辨本领

  6. 棱镜光谱分辨本领的讨论 与棱镜底边长b成正比，使用大尺寸棱镜或棱镜组合方式提高光谱分辨本领 与棱镜材料的色散率成正比，使用高色散率的棱镜材料提高的光谱分辨本领总是有限的

  7. 棱镜光谱分辨本领的讨论（Cont.） (3) 狭缝对分辨率的影响（对光栅也可以类似讨论） 狭缝造成的角宽度 对最小偏折角求导 联立上两式可以得到

  8. 棱镜材料的色散 • 材料折射率随波长变化，一般使用各种玻璃材料

  9. 棱镜材料的色散率 • 它是折射率对波长的求导，其值一般小于1 μm-1

  10. 一个例题 假设棱镜材料为重冕玻璃ZK11，底边长为2 cm，那么用它制成的分光计在波长500 nm处的光谱分辨本领为多少？

  11. 棱镜光谱范围的讨论 棱镜分光计的光谱范围取决于棱镜材料 棱镜材料的透明光谱范围 棱镜材料的色散率不为零的光谱范围

  12. 3.3.2 光栅 • 具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率）的衍射屏 • 透射光栅和反射光栅，在光谱仪器中多使用反射光栅

  13. 光栅的光谱分辨本领 • 光栅方程 • 角色散率 • 光谱分辨本领，角色散率与有效孔径乘积

  14. 一个例题 光栅周期为1200 线/mm，与刻线垂直方向的长度为5 cm，利用的光谱级次为2次，那么其光谱分辨本领为多少？

  15. 光栅光谱分辨本领的讨论 与总刻线数成正比，不是刻线密度，也不是光栅面积 与光谱级次k成正比，这就带来了一个问题 光栅的出射光强分布由单缝衍射与多缝干涉叠加而成，当光谱级次与零级衍射级次相差较远时，该光谱级次的光强会很弱，这样就会影响光谱检测。

  16. 闪耀光栅 • 单缝衍射的极大值 • 零级衍射(k=0)的极大值位置 • 由光栅方程，零级衍射与k级次光谱极大值重合需满足

  17. 光栅光谱级次重叠问题 • 由光栅方程易知，不同级次的光谱会重叠在一起 • 自由光谱范围

  18. 光栅光谱级次重叠问题（Cont.） • 级次重叠问题：光谱范围为290~870 nm，290~435 nm的2级次光会叠加在1级次光的580~870 nm位置上 • 解决方法：在1级次光的580~870 nm位置上，放置435 nm的高通滤光片，即阻止波长435 nm以下光通过

  19. 平场凹面光栅 光栅的其它讨论 • 凹面光栅：将线条刻在凹面反射镜上，兼具色散+会聚 • 光栅鬼线：光栅刻线误差呈周期性变化引起的“假”谱线，在拉曼光谱和荧光光谱中影响显著，使用全息光栅解决了鬼线问题

  20. 3.3.3 法布里-帕罗干涉仪 • 多光束干涉 • 由两个具有高反射率、低吸收率平行镜面 • 入射光在镜面间多次反射后从不同位置出射，然后干涉

  21. 艾里分布 • 相邻光束光程差 • 相邻光束相位差 • 叠加振幅 • 透射光强（艾里分布）

  22. 自由光谱范围 半宽度 锐度 自由光谱范围、半宽度和锐度

  23. 光谱分辨本领及讨论 • 提高法布里-帕罗干涉仪的光谱分辨本领 (1) 提高锐度，即使用高反射镜面 (2) 增大镜面间距 (3) 在镜面间填充高折射率介质 (4) 让光束垂直镜面入射 } 同时会减小 自由光谱范围

  24. 一个例题 法布里-帕罗干涉仪，镜面间距为1 cm，镜面间未填充任何介质，镜面反射率为0.98，假设光束垂直镜面入射，请问它的自由光谱范围为多少？在500 nm波长下的光谱分辨本领为多少？

  25. 3.3.4 傅立叶变换干涉仪 • 不直接将不同波长的光分解到空间的不同位置 • 先记录光强干涉序列，然后对干涉序列进行傅里叶变换得到光谱

  26. 干涉光强序列与光谱 • 单频情况下，干涉强度为 • 复色光时，干涉强度为 不考虑直流分量 • 干涉光强序列与光谱互为傅立叶变换

  27. 干涉光强序列与光谱（Cont.）

  28. 光谱分辨本领 • 实际情况动镜移动范围有限 • 上式中T为截止函数，其傅立叶变换称仪器函数 • 仪器函数使无限窄谱线也会有一定宽度 • 光谱分辨本领为

  29. 一个例题 傅立叶变换干涉仪的动镜移动距离为0.5 m，在500 nm波长下的光谱分辨本领为多少？

  30. 傅立叶变换干涉仪讨论 • 傅立叶变换光谱仪与计算机技术的发展分不开 • 动镜移动的平稳性和动镜位置的准确性非常关键 • 多通道，Fellgett优点，同时记录所有波长的光强信号，可提高信噪比 • 高通量，Jacquinot优点，不需加狭缝或其它限制装置所有光能均能到达探测器

  31. 3.3.5 其它色散系统 （1）可调谐激光器（一定波长范围） 每一时刻仅输出半宽度很窄的单色激光，依次记录每个波长的光强 光谱分辨率取决于激光调谐精度

  32. （2）可调谐滤光器（比如AOTF） • AOTF利用各向异性双折射晶体的声光衍射原理，当加载在晶体上的超声频率改变时，透过晶体的输出波长也会随之改变 • 具有很高的光谱扫描速度，光谱分辨率不高。

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