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圖解各類光譜儀工作原理——?jiǎng)?chuàng)想儀器GLMY
發(fā)布時(shí)間:2021-01-26 點(diǎn)擊:6287
從光譜分析比較常見的幾種分析儀器的原理來講一般有以下三種,第一種是光柵光譜儀,第二種是中階梯光譜儀?,第三種是傅里葉光譜儀?,當(dāng)然還有一些其他的光譜儀比如說能量色散X熒光光譜儀,手持式激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀,但是常見的一般是前三種,下面我們就前三種光譜儀原理作簡單的圖文解析。

先說光柵光譜儀(Grating Spectrometer)其實(shí)也是我們最常見的全譜直讀光譜儀,其基礎(chǔ)原理如下圖所示。

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光柵光譜儀??
【上圖引自維基百科Optical spectrometer詞條】
通常來說,光譜儀有三個(gè)重要組成部分:狹縫(Slit)、色散元件(Dispersive element)、檢測器(Detector)。光柵光譜儀的色散元件為光柵,基礎(chǔ)原理可由光柵方程描述:[公式]
下圖就是一個(gè)典型的Czerny-Turner光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖:
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Czerny-Turner光柵光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖??
在光譜儀性能評(píng)價(jià)中,重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一便是色散能力(Dispersive power),如下式所示:[公式]
簡單而言,就是色散元件能夠把復(fù)色光分散到多寬的范圍上,光被分散地越寬,光譜儀的分辨率自然越好。從上式中可以看到,焦平面越遠(yuǎn)(即[公式]越大),刻線越密(即[公式]越小),色散能力越強(qiáng),后者受到光柵制作工藝限制,傳統(tǒng)的光譜儀往往在[公式]上下功夫,這也是光譜儀做的比較大的原因。

然而,值得注意的是,你把光譜儀的分辨能力提得越高,雖然波長相近的光能夠被區(qū)分地更好,但其代價(jià)就是一定長度的detector上所能展現(xiàn)的光譜范圍變小了,所以,當(dāng)光柵光譜儀發(fā)展到一定階段后,人們發(fā)現(xiàn)重要的問題又出現(xiàn)在了檢測器(detector)這一側(cè)。

所以,針對(duì)這個(gè)問題,我們再介紹一種光譜儀,即中階梯光譜儀(Echelle Spectrometer),其實(shí)從原理上來說,它也屬于光柵光譜儀啦,只不過它所用的光柵與傳統(tǒng)的光柵光譜儀不大一樣,如下圖所示:

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中階梯光譜儀(Echelle Spectrometer)光柵結(jié)構(gòu)?

可見,這種光譜儀它的刻線密度要比傳統(tǒng)的光柵光譜儀的刻線密度要低,但是它的光譜級(jí)次[公式]要比傳統(tǒng)光柵光譜儀高得多,衍射角[公式]也要小很多,因而可以獲取較高的分辨率。但是使用高級(jí)次光譜的問題在于不同波長的色散光譜之間會(huì)發(fā)生重疊,因而需要用色散元件和面陣的detector來處理這一問題,后者相較于傳統(tǒng)線陣detector而言,也更有利于展示更寬的光譜范圍的內(nèi)容,中階梯光譜儀的示意圖如下圖所示:
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中階梯光譜儀的示意圖??
之前介紹的都是光柵光譜儀,下面介紹一下干涉光譜儀,其基礎(chǔ)原理遜干涉儀(Michelson interferometer),也叫做傅里葉光譜儀(Fourier transform spectrometer),如下圖所示:
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干涉光譜儀??
【上圖引自維基百科Michelson interferometer詞條】
其原理是利用傅里葉變換分解干涉儀得到的干涉圖樣,得到波長范圍分布的光譜,其優(yōu)點(diǎn)是分辨率無限(相對(duì)于傳統(tǒng)光譜儀要受到刻線能力的影響而言),缺點(diǎn)是包含移動(dòng)元件,同時(shí)想要得到更高的分辨率,移動(dòng)的距離就要越遠(yuǎn),即在尺寸上有所犧牲,這種光譜儀我沒用過,就不多說了。

從原理上來說,以上三種光譜儀是光譜分析中比較常用的了。其它類型光譜儀我們在此就不多做介紹了。


作者:果程C

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來源:知乎
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