5.3 全息光栅色散型光谱仪在线视频

大家好

在了解了光谱仪的指标后

我们从这节课开始

分别来介绍几款不同的光谱仪

首先是全息光栅色散型光谱仪

下面我们先来看一下光谱仪的组成

那么这是一个光谱仪的光路

灯照射样品

然后被色散 然后被接收

我们可以把光谱仪分成几块

首先分成两大块

一个是光源和样品

一个是色散和接收

在光源和样品这里面又可以分成两小块

一个是光源 一个是样品

那么在色散和接收这里面

一个分成色散 一个分成接收

那么我们下面就分别来看这几块

它们的工作原理

首先是光源和样品

那么光源和样品可以有两种状况

一种是光源等于样品

也就是说光源它本身就是一个样品

这里比如说我们在测量钢的成分的时候

我们可以给这个钢打一个火花

那么这个火花它的成分

就代表了钢里面含有的微量元素

那么这个时候光源就是样品

那么也有的时候是用光源来照射样品

比如说我们测量哪个液体

测量哪个药

那么我们用灯照射这个药

测量这个灯通过药以后

它的光谱的变化

这时候是用光源照射样品

那么再看一下这个图

这是一个很有意思的实验

如果我们把这个火花当成是样品

那么这时候我们可以看到

它有两根谱线

那么这个谱线实际上就是这个火花

它含有的成分了

那么这个时候是用灯它照射了样品

这时候这个火花

它就不是光源了

它是样品了

那么我们看如果用灯照射了这个火花

我们可以在后面看到

有哪些是暗线

有哪些谱被这个吸收了

那么这时候我们得到的是一些吸收的谱

所以光源跟样品之间的关系是这样的

那么有的时候为了排除干扰

我们在测量样品的时候

并不是把样品池直接放在光路里面

而是有一个参比光路

比如说我们在某一个位置放一个样品池

在另外一个位置放一个参比的池子

那么这个时候

我们去交替测量这个样品和池子

样品和池子它们之间的光强信号

然后这样的话

就可以排除掉一些背景的影响

这时候怎么去交替测量样品

和池子之间的信号呢

我们可以用斩波器来切换这个

入射到样品上的光

和入射到这个参比池子上的光

下面再看一下色散和接收

这部分是非常关键的

那么对于光谱仪来讲

有两类 一类我们叫扫描光谱仪

一类叫直读光谱仪

那么扫描光谱仪怎么工作呢

它实际上是用旋转光栅来进行工作的

那么直读光谱仪

没有旋转的元件

它就直接读出来这个光谱

我们来看一下光路

对于扫描光谱仪来讲

那么含有很多波长的光

它入射到这个离轴抛物面镜上

然后变成平行光入射到光栅上

那么对于直读光谱仪的光

它也是入射到光栅上了

那么光栅衍射的光怎么着呢

光栅衍射的光

对于扫描光谱仪

它就入射到一个狭缝上了

那么这时候我们要知道

就是对于这个光栅衍射的光

在扫描光谱仪的时候

是一个一个波长地扫描

所以它用一个狭缝来接收

但是直读光谱仪

入射到光栅上的光

它同时被衍射出不同的颜色

那么在接收的时候

扫描光谱仪既然是扫描

那就要有动的元件

那么这个动的元件就是光栅

当光栅旋转的时候

出射狭缝就可以接收到不同波长的光

这时候不同波长的光是依次被入射到

光电倍增管上的

而对于直读光谱仪

它是用了一个线阵的CCD

把所有的光谱同时给接收着的

这是它们两个的区别

那么扫描光谱仪又有哪几种形式呢

我们来看这样一个

这个是含有平面光栅的一个扫描光谱仪

比如说它的入缝

然后光入射到这个凹面镜上

然后凹面镜变成准直光

再把光入射到平面光栅上

平面光栅的衍射光

又入射到凹面镜上

然后成像到出缝上

在出缝的这块我们放一个光电倍增管

然后就可以接收到出射光了

那么要改变波长怎么办呢

我们让这个光栅旋转进行扫描

光栅一旋转 另外一个波长的光

就入射到出缝上

被光电倍增管接收了

所以这里的要点是旋转光栅

那么这个是一个平面光栅

它解决的是色散问题

也就是说它是解决了分光

那么是否可以用这个光栅

既解决分光问题又解决成像问题呢

这里面显然成像是用的凹面镜

那么我如果想用光栅进行成像

那怎么办呢

有另外一种扫描光谱仪

这时候用的是一个凹面光栅

凹面光栅它既起分光作用

也起成像作用

因为它的光栅导致了它是分光的

那么因为是凹面而不是平面

导致了它起了一个成像的作用

那么这个时候的这个光谱仪

其实挺有意思的

你看这里面只有凹面光栅一个光学元件

那么这是入射狭缝

这个是出射狭缝

在出射狭缝的地方

放一个光电倍增管来接收

这时候入射臂和出射臂之间的夹角

大概是70度左右

通过旋转光栅

我们就可以接收到另外一个波长的光了

那么扫描需要时间

如果我想同时得到光谱

不扫描有没有办法呢

那么下面就是说另外一种形式的光谱仪

叫直读光谱仪

直读光谱仪也有这种罗兰圆的

所谓罗兰圆就是光栅它这个凹面

它基本上是在这个圆上

也就是这时候入缝要在圆上

出缝也在圆上

比如说这样

入射光通过入缝把光入射到凹面光栅上

然后这时候凹面光栅既起色散的作用

也起成像的作用

那么它把像成到哪儿了呢

也成到了这么一个圆上

那么我们这时候如果在它的有光谱的位置

放上不同的光电倍增管

我就可以接收到不同的光谱了

但是这个问题就来了

什么问题呢

就是说的如果我要是用光电倍增管

去接收这些分立的光谱

那么这时候光电倍增管我得放多密啊

那光电倍增管不可能放那么密

那么这时候就是说它只能测量特定的谱线

那么如果要是连续的光谱

就只能用另外一种方式

另外一种形式是平面光栅的直读光谱仪

我们再来看一下光路

入射光经过离轴抛物面镜

然后入射到光栅上

它的衍射光进行了色散

然后再用这个凹面镜进行成像

这时候这个凹面镜成像的点

不同波长位置是不一样的

如果我们在这儿放一个线阵的CCD

就可以测量出来不同波长的光谱了

那么这里头我们看

用到了很多个光学元件

比如说用到了离轴抛物面镜

成像的物镜等等

那么是否有一个光学元件

可以构成光谱仪呢

这个就是所谓的平场凹面光栅光谱仪

光经过入缝以后

入射到平场凹面光栅上

然后它向各个方向把光衍射开

因为它是凹面的

所以它也起了成像的作用

那么如果我们在这儿放一个线阵的CCD

那么我们就可以接收到不同的光谱了

这里面这个凹面光栅

是整个这个光谱仪里面

唯一的光学元件

所以说它集分光和成像于一体

它是比较小巧的

当然由于它小巧

它的分辨率也不会很高

比如说这是一个外面卖的这种

比较小的光谱仪

看上去它真是非常非常小

但是实际上它也能起一些分光的作用

到此为止我们看到

在全息光栅色散型光谱仪中

全息光栅是关键元件

那么这里我们比较一下光谱仪中

用到的不同的全息光栅

首先是平面光栅和罗兰圆凹面光栅

这两款光栅除了一个是平面基底

一个是凹面基底以外

它们都是通过平面波干涉曝光

形成了等间距直线的光栅条纹

严格地说罗兰圆凹面光栅

在其弦所在的切面上

是等间距的直线光栅条纹

实际上早期激光出现之前

人们用机刻的方法得到这两款光栅

那么从成像的角度看

平面光栅只能将光色散开 不能成像

平行光入射到平面光栅上

衍射光也会是平行出射

但是罗兰圆凹面光栅就不同了

它不仅能色散

而且具有成像功能

罗兰圆概念最早由罗兰在1883年提出

它的特点在于

当入射狭缝在罗兰圆上的时候

其衍射光的像也在罗兰圆上

罗兰圆是一个直径与基底曲率半径

相等的圆

罗兰圆与凹面基底中心相切

由于成像在圆上

所以罗兰圆系统很难用CCD直接进行

全谱直读探测

一般都是用光电倍增管来探测的

那么在全息曝光术出现以后

有人就考虑用球面波曝光制作凹面光栅

这时候得到的栅线

不再是等间距的直线了

而存在弯曲和间距变化

那么通过对曝光位置等系统参数的设计

优化像差就可以得到平场凹面光栅

这种光栅的特点是

不同波长的像被排列在一条直线上

这样就非常有助于

利用线阵CCD进行探测

下面我们小结一下这节课的内容

在全息光栅光谱仪中

有扫描型的和直读型的两种

我们来比较一下它们的主要指标

从分光元件看

扫描与直读

都可以用平面光栅和罗兰圆光栅

但是直读光谱仪中

为了使光谱仪小型化

有的时候也用到了平场凹面光栅

这时候这个光栅是光谱仪中

唯一的光学元件

那么与之对应的探测器呢

扫描光谱仪主要是用光电倍增管接收

因为它可以提高灵敏度

可以方便地进行交流信号处理

但是直读光谱仪

它虽然也有时候用光电倍增管

但是因为光电倍增管

这个时候只能测量几条谱线

所以更多的是用CCD作为接收元件

那么从测量速度看

扫描光谱仪的测量速度要比直读光谱仪慢

因为它要扫描

但是精度一般会比直读光谱仪高

实际上它是靠时间来换取精度的

扫描光谱仪的体积一般比较大

成本也比较高

但是它分辨率高 检出限低

这是它的优点

那么不同的光谱仪设计要点是有所不同的

除了平场凹面光栅光谱仪以外

装调和定位都是光谱仪中的关键技术

再有一点就是直读光谱仪

如果用CCD接收

那么CCD的长度有限

因此一般测量的光谱范围也会相对比较小

在名称方面

扫描光谱仪经常被称作单色仪

或者分光光度计

因为它是一个一个波长扫描的

无论是扫描光谱仪还是直读光谱仪

它的分光元件都是全息光栅

那么全息光栅能获得的闪耀光谱范围很小

那么是否有能全谱闪耀的直读光谱仪呢

这点我们下节课再讲

这节课就到这儿 谢谢