光谱仪基本知识2简洁版模板.pptx
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1、光谱仪器的基本知识光谱仪器的基本知识A Basic Introduction of Spectrometer Instruments陈和陈和 北京理工大学北京理工大学 光电学院光电学院Tel:68918398OPTICSSpectrometer|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails色散元件色散元件之棱镜之棱镜 Prismi1i1i2i2偏向角偏向角为为:对于一定的入射角,偏向角随折射率对于一定的入射角,偏向角随折射率n变变化。化。一般地,波长短,折射率大,偏向角
2、一般地,波长短,折射率大,偏向角大。大。|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails最小偏向角条件最小偏向角条件对于对于单色的入射光单色的入射光,偏向角,偏向角随入射角变化而变化,随入射角变化而变化,对于某一个入射角,偏向角存在最小值。对于某一个入射角,偏向角存在最小值。i1i1i2i2i1=i2此时:此时:i1=i2=/2min=2i1-根据折射定律和几何关系可以根据折射定律和几何关系可以得到最小偏向角条件:得到最小偏向角条件:|Creative ways to c
3、onstruct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails最小偏向角的特点和优势最小偏向角的特点和优势当棱镜工作在最小偏向角时,当棱镜工作在最小偏向角时,入射光和出射光是完全对入射光和出射光是完全对称的称的,在棱镜内部光线平行于棱镜底边传播。,在棱镜内部光线平行于棱镜底边传播。设计棱镜光谱仪器时一般使色散棱镜(对某个中间波长)设计棱镜光谱仪器时一般使色散棱镜(对某个中间波长)处于它的最小偏向角位置上进行工作处于它的最小偏向角位置上进行工作。对称的光路可以使得棱镜产生的相差(球差,像散)最对称的光路可以使得棱镜产生的相差
4、(球差,像散)最小,使得谱线成像质量好,分辨率高。小,使得谱线成像质量好,分辨率高。光路对称时,棱镜不产生附加的横向放大率(针对一个光路对称时,棱镜不产生附加的横向放大率(针对一个特定波长而言。)特定波长而言。)可以充分利用棱镜的有效孔径,使得尺寸最小。可以充分利用棱镜的有效孔径,使得尺寸最小。对称光路方便设计使用。对称光路方便设计使用。|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails棱镜的角色散率棱镜的角色散率根据角色散率定义,在最小偏向角情况下的棱根据角色散率定义,在
5、最小偏向角情况下的棱镜角色散率为:镜角色散率为:增加角色散率的方法增加角色散率的方法:1 减小入射角(杂散光影响)减小入射角(杂散光影响)2 增大折射顶角(全反射限制)增大折射顶角(全反射限制)3 增大材料色散(材料和价格限制)增大材料色散(材料和价格限制)最常用的方法最常用的方法:增加棱镜数目。增加棱镜数目。|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails棱镜的分辨率棱镜的分辨率tDlD+dd根据角分辨率公式,有:根据角分辨率公式,有:矩孔衍射决定的最小分辨角矩孔衍射决
6、定的最小分辨角为:为:(最小偏向角情况)实际情况|Creative ways to construct winning e-mails棱镜的横向放大率棱镜的横向放大率i1i1i2i2DD棱镜非主截面的光谱线弯曲棱镜非主截面的光谱线弯曲狭缝的像在焦平面上不是一条直线而是一条弯曲的光狭缝的像在焦平面上不是一条直线而是一条弯曲的光谱线,弯曲的方向朝向短波方向。谱线,弯曲的方向朝向短波方向。原因:非狭缝中心的光线进入棱镜时,不是通过棱镜原因:非狭缝中心的光线进入棱镜时,不是通过棱镜的主截面,而是在倾斜截面上折射,此时的色散率和的主截面,而是在倾斜截面上折射,此时的色散率和偏向角都和主截面上的不同。偏向
7、角都和主截面上的不同。|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails棱镜可用的材料棱镜可用的材料|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails例子例子=400nm熔融石英熔融石英 n=1.47,dn/d=1100cm-1重燧石玻璃:重燧石玻璃:n=1.81,dn/d=4400cm-1 (考虑一等边棱镜,顶角(考虑一等边棱镜,顶角60度,成像透镜焦
8、距度,成像透镜焦距f=100mm)角色散率角色散率 :线色散率线色散率 :分辨率分辨率 :|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails几种常用的棱镜结构几种常用的棱镜结构Littrow 棱镜棱镜Amici 棱镜|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails|C
9、reative ways to construct winning e-mails色散元件色散元件之光栅之光栅 Gratings光栅方程:光栅方程:i和和在法线的同一侧,两在法线的同一侧,两角度符号相同,取正号角度符号相同,取正号i和和在法线的不同侧,两在法线的不同侧,两角度符号相反,取负号角度符号相反,取负号din|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mailsm=0,所有波长不分开,没有色散,零级光谱,所有波长不分开,没有色散,零级光谱m0,对对于于一一定定的的光光栅
10、栅常常数数和和同同样样的的入入射射角角,同同一级次不同波长的光在空间向左右两边分开一级次不同波长的光在空间向左右两边分开m0,正级光谱,正级光谱 m0,负级光谱,负级光谱对于给定光栅的最高光谱级次限制:对于给定光栅的最高光谱级次限制:|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails光栅的角色散率光栅的角色散率光栅的角色散率与光栅常数光栅的角色散率与光栅常数d成反比成反比光栅的角色散率与光谱级数成正比光栅的角色散率与光谱级数成正比光栅的角色散率与衍射角余弦成反比光栅的角色散
11、率与衍射角余弦成反比在靠近法线位置:在靠近法线位置:|Creative ways to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails光栅的分辨率光栅的分辨率则波长则波长+d的第的第m级主亮条纹级主亮条纹:考虑一块理想光栅,入射和衍射光线都位于主截面内,考虑一块理想光栅,入射和衍射光线都位于主截面内,假设为正入射(假设为正入射(i=0),则波长),则波长的第的第m级主亮条纹级主亮条纹:波长波长的第的第m级主亮条纹外的一阶极小值满足级主亮条纹外的一阶极小值满足:瑞利判据:瑞利判据:|Creative way
12、s to construct winning e-mails|Creative ways to construct winning e-mails光栅光谱的叠级和自由光谱范围光栅光谱的叠级和自由光谱范围等式左边不变,右边可以是不同级次的不同波长,即等式左边不变,右边可以是不同级次的不同波长,即这种现象称为光谱的这种现象称为光谱的叠级叠级。一个光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段称为一个光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段称为自由光自由光谱范围谱范围。光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。|Creative ways to construct winning e-mai
13、ls|Creative ways to construct winning e-mails闪耀光栅闪耀光栅原理:对于闪耀光栅,原理:对于闪耀光栅,每个刻痕断面都相当于每个刻痕断面都相当于一个小反射镜,当一个小反射镜,当衍射衍射光线主要集中于反射方光线主要集中于反射方向上向上,能量可以集中在,能量可以集中在所需要的某一光谱级次所需要的某一光谱级次的波段范围内。的波段范围内。nnia d闪耀光栅的几何参数闪耀光栅的几何参数a和和需满足一定条件:需满足一定条件:一、反射方向与需要的衍射方向一致一、反射方向与需要的衍射方向一致二、光栅零级主极大方向在单缝二、光栅零级主极大方向在单缝的负第一衍射级的极小
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