光栅光谱仪的基本原理

光栅方程、色散与分辨本领 · 含光栅方程交互演示

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光栅为什么能分光

光栅色散原理与 Czerny-Turner 光谱仪光路示意图
左:不同波长按光栅方程衍射到不同角度;右:狭缝 → 准直 → 光栅 → 聚焦 → 阵列探测器的典型光谱仪光路

光栅光谱仪利用衍射光栅的色散能力把复色光分解成单色光。光栅表面刻有大量等间距的平行刻槽,每条刻槽都像一个子光源;只有在特定方向上,相邻刻槽发出的光光程差恰好是整数个波长,才会相长干涉形成亮的衍射光。

这个"特定方向"取决于波长,所以不同颜色被送到不同角度。与棱镜相比,光栅的色散近似线性、不受材料吸收限制,从真空紫外到远红外都能使用,因此成为目前应用最广的分光元件。

光栅方程

d (sin α + sin β) = m λ

其中 d 为光栅常数(相邻刻线间距,等于刻线密度的倒数),α 为入射角,β 为衍射角,m 为衍射级次(0、±1、±2……),λ 为波长。m = 0 时 β = −α,就是普通的镜面反射,不同波长重合在一起,没有色散。

如有定制需求,请联系:姚工,1592-808-9752,mylanview@126.com

方程还告诉我们一个限制:|sin β| 不能超过 1。刻线越密、波长越长,能存在的衍射级次越少;当一级都满足不了时,光栅对这个波长就"失效"了。

四个关键指标

  • 角色散:dβ/dλ = m / (d·cos β)。刻线密度越高、级次越高,角色散越大。
  • 线色散:dl/dλ = f·dβ/dλ。焦距 f 越长,焦面上单位波长占据的物理距离越大;它的倒数(nm/mm)常称倒线色散。
  • 分辨本领:R = λ/Δλ = m·N,N 为被照亮的总刻线数。光栅越宽、照得越满,理论分辨本领越高。
  • 闪耀效率:闪耀光栅的锯齿形刻槽把大部分能量集中到特定级次和波长(闪耀波长),偏离闪耀波长效率逐渐下降。

另外还有一个容易忽略的问题——级次重叠:一级的 800 nm 和二级的 400 nm 落在同一个角度上。覆盖范围超过一个倍频程时,必须加滤光片把高级次挡掉。下面的演示可以直接看到这些现象。

交互演示:光栅方程可视化

调节刻线密度、入射角和波长,看各衍射级次射向哪里、哪些级次已经消失;勾选"白光"可以看到每个级次都展开成一条彩虹,以及二级与一级的重叠。下方曲线为闪耀光栅各级次的衍射效率。
模型说明:衍射方向由光栅方程严格计算;效率曲线为标量近似(以 Littrow 条件下的闪耀波长为中心),未计偏振效应与 Wood 异常,实际效率请以光栅厂商曲线为准。

从光栅到光谱仪

单靠光栅只能把不同波长分到不同角度,要在探测器上得到清晰的光谱,还需要狭缝限定光源像、准直镜把狭缝的光变成平行光、聚焦镜把每个角度的平行光会聚到焦面。这就是 Czerny-Turner 等经典光谱仪光路。

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光谱仪的分辨率最终由三者中最差的一个决定:光栅的理论分辨本领 mN、狭缝像宽乘以倒线色散、以及探测器像元的采样能力。实际仪器中,后两者通常才是瓶颈。

光谱仪选型与定制

四川森普力科技有限公司可根据您的波长范围、分辨率和灵敏度要求推荐光栅与光路配置,或定制专用光谱测量系统。

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