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常用设备介绍——光谱仪

作者: 来源: 日期:2017-04-24 浏览:56次

定义:记录光谱的装置。

光谱仪是一种用来记录光源光谱的仪器。即它测量光的功率谱密度PSD)随波长或频率变化的方程。不是所有的光谱仪都能给出经过校准的PSDs;通常强度是没有校准的,校准因子(响应度)是与波长有关系的。

采用频谱干涉方法不仅可以得到功率谱密度还可以得到光谱相位

 

一、采用衍射光栅和棱镜的光谱仪

许多光谱仪采用一个或多个衍射光栅得到的与波长有关的衍射效应,或者一个或多个棱镜得到随波长变化的折射。在光束进入光栅或棱镜之前入射光需要是准直的。通过色散器件后,不同波长的成分传播方向略有不同。然后它们经过一些其它光学器件最终进入光电探测器

在扫描光谱仪中,探测器可以是光电二极管或光电倍增管,放置在窄缝后面,这样每次只有很窄波长范围的光能到达探测器。可以改变窄缝位置,或者光栅、棱镜的指向从而能够扫描某一特定波长范围的光,这里假设入射光的PSD在该时间内是不变的。这时光学装置的功能类似于可调谐的单色仪。图1是常见的Czerny-Turner单色仪的设计图。如果光谱很宽并且扫描的分辨率很高,并且假如探测器相应不够快,那么整个光谱的采集时间会很长。

图片1.jpg

1:Czerny-Turner单色仪设计图。进入窄缝的光通过曲面镜准直,然后经过衍射光栅产生随波长变化的偏转,然后经过另一个曲面镜重新聚焦。对于某一指向的衍射光栅的情况,只有很窄范围内波长的光可以通过出射狭缝。(图中的射线对应于该波长范围。)整个装置放置在一个箱子中,包含额外的孔径和黑色外罩为了使杂散光最小。

如果采用非扫描光谱仪,光谱采集时间会极大缩短,此时采用的是空间分辨探测器,可以同时探测所用的波长成分。例如,探测器可以是CCD摄像头芯片。

有些光栅光谱仪非常小,宽度只有几厘米。但是如果要实现很好的性能,即很高的分辨率和灵敏度,则需要较大的装置。

 

二、干涉光谱仪

干涉光谱仪通常具有很高的光谱分辨率,但是光谱范围很窄:

1. 有些装置采用法布里-珀罗干涉仪,采用压电致动器扫描反射镜间距,记录透射的光功率。可用的光谱范围称为自由光谱范围,由反射镜间距决定;通常为0.1 GHz到10GHz,用nm表示数值很小。分辨率带宽等于自由光谱范围除以精细度,后者由反射镜的反射率决定。反射镜之间间距大时得到的分辨率更高,但是自由光谱范围变窄。

2. 傅里叶变换光谱仪有的采用迈克尔逊干涉仪,其中干涉仪的一条臂在很长范围内进行机械扫描(mm, cm甚至更大范围)。整个扫描范围内得到的探测信号随时间的变化函数需要进行傅里叶变换得到光谱。另一种简单的方法是采用波长计,仅测量激光光源的波长,而不是记录整个光谱。

3. 阵列波导光栅可用于很小尺寸的光谱仪中。利用了小波导结构的干涉效应。

 

三、光谱仪记录光谱细节

根据采用的光谱仪,需要观察一些不同的量: — 入射光需要进入宽度可变的入射狭缝。为了得到最高的光谱分辨率,窄缝需要足够窄,但是这会减小透射功率,因此提高噪声,增大采集时间,尤其是光源亮度比较低时。有些光谱仪采用光纤输入光,可以采用多模光纤或者单模光纤。多模光纤易于收集光,但单模光纤能实现最好的光谱仪性能。 — 衍射光栅通常都是应用一级衍射,但是有时为了得到更高的光谱分辨率需要用到高级衍射。不管是何种情况,都存在其他级衍射的影响问题。如果遇到很难解释的光谱性质,可以看是否来自于这一问题。 — 光谱仪的响应与偏振有关,因为光栅的衍射效率或者棱镜反射损耗都与偏振有关。 — 用户需要校准光谱仪。在校准波长时,可以采用发射确定波长光谱的放电灯。在整个波长范围内校准响应度比较困难。可以采用具有已知灯丝温度或校准光谱的白炽灯。

 

四、极限光谱区域光谱仪

通常光谱仪工作在可见光区域,红外光或者还可能工作在紫外光区域。还有的光谱仪可以工作在极限光谱区域,例如,极紫外(EUV)或者X射线区域,其中波长只有几nm。这种光谱仪可能采用间距非常小的衍射光栅,或者在X射线区域时甚至采用单个晶体,利用原子大小的周期性结构。而光电探测器,则可以采用X射线CCD摄像机或者多通道探测器(MCP)。

 


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