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圖解各類光譜儀工作原理——創想儀器GLMY
發布時間:2021-01-26 點擊:6805
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)其實也是我們最常見的全譜直讀光譜儀,其基礎原理如下圖所示。

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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,基礎原理可由光柵方程描述:[公式]
下圖就是一個典型的Czerny-Turner光柵光譜儀的結構示意圖:
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Czerny-Turner光柵光譜儀的結構示意圖??
在光譜儀性能評價中,重要的評價指標之一便是色散能力(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(即[公式]越大),刻線越密(即[公式]越小),色散能力越強,后者受到光柵制作工藝限制,傳統的光譜儀往往在[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分地更好,但其代價就是一定長度的detector上所能展現的光譜范圍變小了,所以,當光柵光譜儀發展到一定階段后,人們發現重要的問題又出現在了檢測器(detector)這一側。

所以,針對這個問題,我們再介紹一種光譜儀,即中階梯光譜儀(Echelle Spectrometer),其實從原理上來說,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)光柵結構?

可見,這種光譜儀它的刻線密度要比傳統的光柵光譜儀的刻線密度要低,但是它的光譜級次[公式]要比傳統光柵光譜儀高得多,衍射角[公式]也要小很多,因而可以獲取較高的分辨率。但是使用高級次光譜的問題在于不同波長的色散光譜之間會發生重疊,因而需要用色散元件和面陣的detector來處理這一問題,后者相較于傳統線陣detector而言,也更有利于展示更寬的光譜范圍的內容,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,其優點是分辨率無限(相對于傳統光譜儀要受到刻線能力的影響而言),缺點是包含移動元件,同時想要得到更高的分辨率,移動的距離就要越遠,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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