光栅光谱仪调研

光栅光谱仪调研 一、原理 图1. 光栅衍射的基本原理 光栅方程: md,,,sin 对于相长干涉，,对于较高级次此值会更大。 ACd,sin, 图2.单色仪内部光路原理简图 光栅光谱仪，是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑自动显示仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。光栅光谱仪被广泛应用与颜色测量、化学成分的浓度测量或辐射度学分析、膜厚度测量、气体成分分析等领域中。它是利用折射或者衍射产生色散的光谱测量仪器，例如:棱镜光谱仪、利用光栅制成的摄谱仪(spectrograph)和单色仪(monochromator)，从入射狭缝入射的光经过棱镜或光栅色散后，成像在输出狭缝附近的焦平面上，不同波长在焦平面上对应于不同的位置。其中，摄谱仪的特点是可以一次同时 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 光谱，但由于感光板记录光信号的灵敏度较低，时间响应也较慢，对弱光谱信号需要很长的曝光时间，单色仪的特点是可以配合该灵敏度和快 速响应的光电探测器进行探测，通过转动光栅对波长进行扫描，随着光电技术的发展，光学多道分析仪(optical multichannel analyzer，OMA)结合了两者的特色。利用灵敏度高的、时间响应较快的光电探测器取代照相感光板，实现了对宽波长范围光谱的同时记录，因而在现代光谱测量中发挥着及其重要的作用。 衍射光栅是光栅光谱仪的核心色散器件，它是一块平整的玻璃或者金属材料表面(可以是平面或者凹面)刻划出一系列平行的等距离的刻线，然后在整个表面镀上高反射的金属膜或者介质膜，就构成一块反射式衍射光栅。相邻刻线的间距d称为光栅常数，通常刻线密度为每毫米百到十万条，刻线方向与光谱仪狭缝平行。 当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成;复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。 我们现在注重的是单色仪中的平面衍射光栅的效用。它是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。 图4.单色仪反射式衍射光栅原理图 ,如图4所示，光栅刻槽垂直入射平面，入射光与光栅法线夹角为,，衍射角为，衍 射级次为m，d为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值: Md,,,,，()sinsin 定义为入射光线与衍射光线夹角的一半，即;为相对于零级光,,,,,,/2,，， 谱位置的光栅角，即 ,,,,，/2，， 得到更方便的光栅方程: M2dcossin,,,, 从该光栅方程可看出，对一给定方向，可以有几个波长与级次M相对应满足光栅,,方程。比如600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。对相同级次的多波长在不同的,分布开。含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变，则在不变的方向得到,,，, dN,1不同的波长。其中，，N:每毫米可划线的数目，+代表衍射光线与入射光线是在法线同一方向，-代表衍射光线与入射光线在发现的不同侧。我们在讨论的时候先假定入射光波是平面波，这样的话角展度就近似为零。我们保持入射角是常数，那么有， ddMdcos,,,,，， 二、参数特性 1、闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。 图3.Efficiency curve of a blazed, ruled grating 实际上，闪耀波长并不是只对一个波长闪耀而是在一个波长范围内的闪耀，在闪耀峰值波长上，一级衍射效率可以达到70%--80%，当波长大于闪耀波长闪耀效率随波长的 增加而缓慢降低;当波长小于闪耀波长，闪耀效率下降得很快。通常工作波长选择在闪耀波长附近以及长波方向上。对于闪耀光栅，在闪耀波长2/3处或者1.8倍波长处的光的强度为闪耀波长处的50%，光栅的衍射效率还与入射光的偏振特性有关，与光栅刻线方向垂直的偏振光衍射效率最高，自然光，其次真空紫外到远红外。 2、光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。 3、光栅效率，光栅效率是衍射到特定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。另外一个要求就是要求镜子表面要与光栅表面平行。我们通常考虑的光栅衍射效率有相对效率和绝对效率。 Relative efficiency is specified as the percentage of the power (or, more loosely, energy) at a given wavelength that would be reflected by a mirror (of the same coating as the grating) that is diffracted into a particular order by the grating (that is, efficiency relative to a mirror). Absolute efficiency is specified as the percentage of the power incident on the grating that is diffracted into a particular order by the grating. 光栅效率的测量通常采用双光栅系统第一个单色仪提供来自于卤钨灯的单色光()至于实验过程中使用什么样的灯源取决于你所需要的光谱范围第二个单色仪里面的光栅是实验对象， 测定特定波长下的衍射效率 energy outAbsolute efficiency 100%,， energy in efficiency of the grating Relative efficiency100%,， efficiency of a mirror除了波长和衍射级次，光栅效率还取决于入射角、衍射角。在外面说明效率的时候还要在注意明确波长、效率(百分比)、衍射级次、光的偏振、测出射狭缝的带宽。 在我们实验中，我们采取如下实验布局图进行单色仪的效率测量， lamp Monochro monochromator mator 4、色散 光栅光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到:沿单色仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即 ,,,,,/dcos/FxM 这里分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，M为衍射级次。由dF、、, 方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，变化可能超过2 倍。根据国家 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，在本样本中，用1200l/mm光栅色散的中间值(典型的为435.8nm) 时的倒线色散。 角色散D Md,,,,，()sinsin M, ,，sinsin,,d 两边同时对,取导数有: md, ,cos,dd, dm,, ddcos,, 通过替换有， sinsin,,，D, cos,, 线色散LD dlfd, ,,,,LDfDdd,, dcos,,,RLD1 dMf R(是线色散的导数nm/mm，也称之为plate factor) d 5、分辨率 光栅单色仪的分辨率R是分开两条临近谱线能力的度量，通常把恰能分辨的两条 谱线的平均波长与这两条谱线的波长差之比，定义为光栅的色分辨本领，根据,,, 罗兰判据为 R/,,,, 在基础光学中平面衍射光栅理论上的分辨本领为， RMN, R分辨本领决定光栅的缝数和级次，另外一个有意的表达就是利用光栅方Nk M程来替换如下: Ndsinsin,,，，， R, , 如果光栅刻划间隔对于整个光栅平面是均匀的，当然也要要求光栅的基底面是d 平面，那么光栅的宽度就为,所以 WNd, Wsinsin,,，，，R, , 在这个方程中我们明显的看到，光栅的分辨本领与级次没有明显的关系，由于 sinsin2,,，, 能够达到的最大分辨本领为 2W ,Rmax, 这个最大条件其实对应着the grazing Littrow configuration,举个例子说明， o,,,()littrow，。其实获得理论上的分辨本领的整个过程，离不,,90()grazing 开;光栅表面的光学平整度;光栅刻划间隔的均匀性;光学器件耦合特性;狭缝,,, 宽度还有探测器。以上只是理论上说明，其实实际中分辨本领是受到谱半宽限制， 光栅光谱仪中有实际意义的定义是测量单个谱线的半高宽(FWHM:full width at half maximum)。实际上，分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。 RMF/W,, M-光栅线数 F-谱仪焦距 W-狭缝宽度 其实实际的分辨率需要经过多次试验才可以得到较为精确的结果。另外，决定波长精确性的因素列举如下: a、 Νatural linewidth b、 单色仪自带光学棱镜光学像差 c、 开口狭缝尺寸的影响 6、光谱测量范围(spectral range) 需要区分两种测量范围，一种是指光谱仪能工作的全部测量范围，另一种是指能 单值的确定波长的范围，称为自由光谱区(free spectral range) 7、集光率 指光谱仪接收被测光源辐射通量的能力，它由光谱仪的最大收集角决定，相当于图中棱镜光谱仪中的准直透镜L1的直径a和焦距为f的比值a/f，或者光栅光谱仪中M1准直反射镜的直径和焦距之比。激光率被认为是光谱仪的“速率”。 8、光谱透射率(spectral transmittance) T(,)反应了光谱仪对入射信号的损耗程度，是入射光波长的函数与光谱仪中各光学元件的性能，例如，透镜或者棱镜的透射率，反射率和光栅的反射率以及光路有关。 和F/# 9、带宽 带宽是忽略光学像差、衍射、扫描方法、探测器像素宽度、狭缝高度和照明均匀性等，在给定波长，从光谱仪输出的波长宽度。它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。例如，单色仪狭缝为0.2mm，光栅倒线色散为2.7nm/mm，则带宽为2.7×0.2=0.54nm。 球面镜的影响可以用fd来衡量，其中焦长，凹面镜的有效直径，这个比值fd f#在文献或者参数表述中通常为，这个比值越大，对总体误差贡献越少，有着较高f#f#的光学仪器能够得到更加精确的图像，光通过效率与F/#的平方成反比，愈小，光通过率愈高。这就是为什么在天文学领域采用较长的望远镜的原因。分光装置的分辨率还受限制， FWHM 2221/2FWHM = (d+d +d ),,,(slits)(resolution)(line) 2d,其中， ,带通决定于分光计狭缝的宽度、光栅的线色散 slits，， 我们必须要通过带着相同的F/#的棱镜或者镜面将光聚焦到入口狭缝上，灯源的型号大小应该与入口狭缝有相同的尺寸目的为了减少渐晕，那放大率应匹 配。 F/# focal length/aperture, mFF,/#/#，，，，21 狭缝宽度 (mm) = 带宽 (nm)/倒线色散 (nm/mm) = 2/3 = 0.66 射束直径为 33mm 所以第二个人棱镜的焦距为: 焦距=(F/#) (Aperture) = 4.4×33mm = 145.2mm~= 150 mm Image size options: Entrance slit is 0.6 mm×18 mm Using F/1.5: Lens: (0.5mm×2.2 mm)×(4.4/1.5)~= 1.5 mm×6.5 mm Using F/1.0: Lens: (0.5mm×2.2 mm)×(4.4/1.0)~= 2.2 mm×10 mm Using F/0.85: Lens: (0.5mm×2.2 mm)×(4.4/0.85)~= 2.6 mm×11 mm 10、波长精度、重复性和准确度 波长精度是光谱仪确定波长的刻度等级，单位为nm。通常，波长精度随波长变化。 波长重复性是光谱仪返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定 性。卓立汉光的光谱仪的波长驱动和机械稳定性极佳，其重复性超过了波长精度。波 长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。每台单色仪都要在很多波长检查波长 准确度。 11、单色仪能量输出 4 Po =PiVFE Rm Po: power output (MW) Pi: power reaching the entrance slit plane (MW) V: vignetting factor due to slit smaller than image E: grating efficiency m R4: reflection efficiency (with 4 reflections) F= (F/#illuminator) 2/ (F/#monochromator) 2 (when F/# does not match) 三、环境影响 1、使用的光栅光谱仪中减少杂散光的措施 , 采用双光栅结构，采取这样的方式，可以很大程度上减少杂散光或者减少多级谱成 分。 , 将内部镜子背面刷成黑色 , 除去灰尘 , 可以采用合适的挡板消除杂散光 2、和棱镜光栅比较起来，栅格光栅有以下缺点 它们不是很整齐;产生更多的杂散光(比如不需要级次里的衍射光);级次重叠衍射光;狭缝边缘的衍射; 3、长波长光中通常含有短波长的高级谱成分。比如说，第一级次600nm的光和第二级次300nm的是重合的。 4、杂散光。照射到平面光栅上的辐射光，一部分按照方程m,= d (sina + sinb)衍射掉，一部分被光栅本身吸收掉，另外剩下的是我们不想要的散射光(scattered light)。散射光的产生主要有以下几个因素:形状缺陷或不规则(imperfections in the shape)、栅格的间距(spacing of the grooves)、光栅表面的粗糙程度(roughness on the surface of the grating)。漫散射光(Diffuse scattered light)分散到光栅平面前的半球面内.这主要与光栅表面的微粗糙程度有关，它是干涉光栅中散射光的主要原因。对于单色光, 那在该波长衍射级次附近的漫散射光的强度要高于衍射级次之间的强度。M.C. Hutley (National Physical Laboratory) 发现这个强度和狭缝的大小成比例, 可能成比例于1/4,。In-plane scatter is unwanted energy in the dispersion plane. Due primarily to random variations in the groove spacing or groove depth, 它的强度与狭缝的面积成比例同时可能与波长的平方成反比. 由于刻划线非周期性的误差造成的杂散光。鬼线是由光栅刻槽间隔的周期性误差造成，它不是散射光，聚焦在散射平面上，刻划光栅、干涉光栅的特性就是能够避免这种鬼线。其强度为 G = IP n2 k2 e2 pi2 Where, IG =ghost intensity IP = parent intensity n = groove density k =order e =error in the position of the grooves 鬼线聚焦成像在单色仪的散射平面上，全息光栅不会产生这种鬼线因为没有周期性刻划 误差，使用全息光栅可以很好的解决鬼线的问题。光栅在制作的过程中，由于可惜啊间距不可能完全一致使得在某方向上某些不希望出现的波长干相长而产生极大值，这样形成的普贤称之为 “鬼线”(grating ghost)尽管鬼线强度很弱，但在激光光谱测量中，由于激光强度很强，引起的散射光会造成鬼线，其强度正比于光栅级次的平方，混杂在光谱线中间是光谱分析复杂化，这时应该注意的，光栅有很多种，闪耀光栅、阶梯光栅、全息光栅。但在光栅光谱仪中通常使用闪烁光栅。 带通(bandpass) B一个分光系统的带通是从分光系统出来的光的波长间隔，通常说成是半高宽。 我们通过下式对带通进行估算， ,Bwp, ,p其中，是出射狭缝的宽度，是倒线色散。 w 带通越小能够分辨的更为接近的两个波长，带通能够通过减小出射狭缝的宽度来减少但是通常情况下也同时减小了光强。带通有时候也称为光谱带宽。 我们需要区分一下Resolving power和resolution。 信噪比 在光栅光谱仪上衍射光能量与杂散光能量的比值，我们可能会考虑，衍射效率越 高，SNR就越高， 需要注意的问题 1、Relative efficiency 效率和级次 1、长波长光中通常含有短波长的高级谱成分。比如说，第一级次600nm 的光和第二级次300nm的是重合的。 2、较高级次效率遵从第一级效率曲线。Efficiency in higher orders usually follows the first order efficiency curve. 3、For a grating blazed in first order the maximum efficiency for each of the subsequent higher orders decreases as the order k increases. The flux (,) of incident photons was measured with a photodiode before the entrance of our EUV monochromator so that absolute value was obtained before and after each set of measurements. Particularly, we measured the incident photon flux for four known specific wavelengths of 13.4, 18.4, 25.4 and 30.4 nm, respectively. With the both slits set at 100 lm, a resolution of 0.13 nm at wavelength of about 13.4 nm is obtained, ,,,,100corresponding to a spectral resolution of. Photons emitted by the synchrotron light source entered through the entrance slit of the monochromator with slit widths varying between 5 lm and 3mm, depending on the desired resolution to be achieved. Then they were dispersed by a reflection grating at an angle of incidence of 88?. 参考表格 Wavelength(nm) 13.4 18.4 Energy resolution(eV) 92.50 Incident photon 0.776 ? (10–15)% current(A) Flux before 3.59E + 17 ? (10–15)% monochromator(number of photons/s ) Center wavelength(nm) 13.455 Gaussian area 1.03E + 7 Flux after 4.25E + 15 ? (10–15)% monochromator(number of photons/s ) 0.011 ? (10–15)% 对于一个反射衍射光栅，其光栅方程为: d(sinsin) = m,,,, dN,1其中，，N:每毫米可划线的数目，+代表衍射光线与入射光线是在法线同一方向，-代表衍射光线与入射光线在发现的不同侧。我们在讨论的时候先假定入射光波是平面波，这样的话角展度就近似为零， 对于单色仪开口的讨论: 单色仪有两个开口一个入射口、出射口。这两个开口狭缝应该相统一，具体来说就是