当前课程知识点：光电仪器设计 > 第5章 光谱仪 > 5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪 > 5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
大家好
还有一款比较典型的色散型光谱仪
是中阶梯光栅光谱仪
它和之前介绍的
全息光栅做色散元件的光谱仪
有什么不同呢
我们先来看一下什么是中阶梯光栅
我们先看光栅的制作方法
比如说全息光栅
那么它是用两束平行光去干涉
来产生干涉条纹
对光刻胶进行曝光来产生的
因此全息光栅的周期是跟曝光波长
是相当的
也就是说这时候全息光栅的周期
大概只有600到3000多线
那么中阶梯光栅
它是靠机刻的方式来制作的
所以中阶梯光栅呢
一般它的线密度比较低
也就是说每毫米只有70几线
100线不到
当然中阶梯光栅也有另外一种制作方式
比如说用这个体硅腐蚀
因为硅它有一些解理面
那么我们可以通过掩模曝光
然后对硅进行腐蚀
因为它的解理面是非常光滑的
所以这时候的光栅
就会线条特别特别光滑
这也是一种制作中阶梯光栅的方法
那么我们再来看
中阶梯光栅它有什么特点
首先我们先来看一下全息光栅
这是一个光栅方程
当光是自准直入射到光栅上的时候
它就是沿原路返回的
或者换句话说
如果光在这个光栅的槽上
基本上满足反射定律的时候
它应该会有比较高的衍射效率
比如说这个全息光栅吧
它的入射角如果是10度
那么对于这个蓝色的
也就是说200纳米的波长
那么它的衍射角
也是10点多度
所以这时候对这个200纳米的波长
它的衍射效率会比较高
但是对于250纳米和300纳米的波长呢
因为它的入射角和衍射角相差得比较多了
所以它的衍射效率就不那么高了
那么中阶梯光栅是什么样的
中阶梯光栅是这样的
比如我们以
每毫米79线的中阶梯光栅为例来说
那么如果我以85度的角
入射到这个光栅上了
那么它进行色散
色散就色散出来一堆不同的波长的光
那么这时候不同波长的光
它的衍射级次实际上是不一样的
比如说衍射级次是126的这个光
它的衍射角是84度
跟85度比较接近
那么这个光它的衍射效率会比较高
但是对于这个绿色的
也就是说250纳米的光
那么它的级次是101
那么它的衍射角是86度
这86度和85度也差得不是特别多
所以它的衍射效率也会比较高
同样对300纳米的光
那么它的级次是84次
那么它的衍射角是84度
所以也跟85比较接近
所以它也会有比较高的衍射效率
那么也就是说这个中阶梯光栅有一个特点
它是全谱闪耀
就是它不同的波长
用了不同的衍射级次
使得它的衍射角都大致相同
这个从上面这个式子我们也可以看出来
自准直时候的衍射角
它是等于arcsin的m乘以λ除以2d
d是光栅周期
那么分子如果m很大
所以这个时候它实际上这个波长变化
占的权重就相对较小了
也就是说因为我用了很高级次的衍射级次
那么这个时候更容易达到全谱闪耀
那么既然中阶梯光栅
可以达到全谱闪耀
这是它的优点
它是否可以提高分辨率呢
我们再来看一下中阶梯光栅
是怎么提高分辨率的
比如说我有一束光
以自准直的角入射到这个光栅上
这里头要注意
我们用中阶梯光栅的时候
一般是用它的短边衍射
那么从分辨率的公式我们可以得到
这个分辨率它等于m乘N
N也就是说我光束覆盖的这个范围
就是光束在光栅上覆盖的范围
m是用的衍射级次 对吧
那么这时候这个分辨率
我也可以写成d乘以N除以λ
再乘以一个sinθ的入射角
那么这时候d跟N相乘
d是光栅周期
N是覆盖的光栅上的线条数
那么d跟N相乘实际上就是光栅尺寸
那么从这个分辨率的这个公式里头
我们可以看到
对于一定大小的光栅
那么它的入射角越大
它的分辨率就越高
这也就是说为什么中阶梯光栅
一般用掠入射
掠入射入射角大
所以它的分辨率会比较高
但是中阶梯光栅也有它的问题
它的自由光谱范围小
为什么呢
我们可以从自由光谱范围的这个公式
来看出来
自由光谱范围等于λ除以m
m是衍射级次
那么中阶梯光栅的衍射级次m是很大的
所以它自由光谱范围就非常的小
比如说
我们以每毫米79线的这个光栅为例
如果以85度的入射角入射
那么对于波长是200纳米的光
对于衍射级次是126级衍射
那么它的衍射角是84度
那么另一个波长 201.6纳米波长
它的衍射级次是125级
它的衍射角同样是84.05度
所以在84.05度的这个位置上
如果我要放了一个探测器
我就没法区分
这个入射到探测器上的波长
是200纳米还是201.6纳米
那么这个也就是说
它有一个很大的光谱重叠
这个光谱重叠我们可以再看一下
这是直观地看一下
我们有这么一个表
这个表是说了
比如说第一列
它是波长从198.86纳米
到200.46纳米这么个波长
那么这时候它对应的衍射角是不一样的
当然衍射级次是126
那么中间这一列
它对应的波长
是200.46纳米到202.06纳米
那么这时候它的衍射角也在这个范围内
同样第三列也是
这时候我们如果看第一行的话
我们会发现
对同样一个衍射角
那么它不同波长都可以在这儿发生衍射
比如说我这儿有一块光栅
那么入射光入射到这儿
它就会衍射开来了
衍射出来有三组
我这儿其实有很多组
我这儿只画了三组
那么有三组这个衍射光
那么这个衍射光它分别对应了
衍射级次是不一样的
衍射级次是126
125和124
那么这时候实际上它对应的这个波长
也是不一样的
或者是换句话说我可以说
对于最上面这行
那么这个时候200.46纳米的波长的
126衍射级次
和202.06纳米波长的125衍射级次
以及203.66纳米波长的
124衍射级次
它们的位置是重合的
那么这个问题该怎么解决呢
所以在用中阶梯光栅的时候
我们需要用棱镜
或者一个普通的全息光栅
作为预色散元件
那么我们来看它们怎么进行预色散的
比如说这是一个普通的光栅
它先把这个光大概色散出来
色散开
然后我在这儿再放一个中阶梯光栅
中阶梯光栅的栅线方向
和我之前这个普通的全息光栅的栅线方向
是垂直的
那么这时候中阶梯光栅
把我这个全息光栅
预色散出来的这个光谱
再进行进一步的色散
比如说是这样开始色散
这部分的光谱色散成这样
那么这时候实际上得到的是一个
面阵的光谱图
也就是这样的
那么这个面阵的光谱图的纵方向
实际上是用中阶梯光栅色散出来的
那么它的横向是用一个
比如说棱镜或者是普通的全息光栅
色散开来的
那么这时候普通的光栅色散
并不要求给它有特别高的分辨率
它只要解决中阶梯光栅的光谱重叠问题
就可以了
这是一个用棱镜或者光栅
作为预色散元件的光学系统图
光呢它先入射到一个普通的全息光栅上
那么全息光栅把这个光在一个方向色散开
然后入射到中阶梯光栅上
中阶梯光栅
再把光在另外一个方向给色散开
这样我们在接收的地方
一定要用一个面阵的探测器
一般是用面阵的CCD来进行探测的
下面我们小结一下这节课的内容
我们这里来简单比较一下
中阶梯光栅光谱仪和全息光栅光谱仪
首先因为全息光栅和中阶梯光栅
它们的刻线密度不同
所以它们的制作方式也是不同的
那么全息光栅用全息曝光的方式制作
而中阶梯光栅通常用机刻的方式来制作
从使用方面来看
全息光栅
主要是用1级或者低的衍射级次
并且是非掠入射
但是中阶梯光栅
因为光栅周期比较大
为了得到高的衍射效率
就需要用更高的衍射级次
一般是几十级或者上百级
并且使用了接近掠入射的入射角
从使用效果看
中阶梯光栅光谱仪的分辨率更高
并且它接近全谱闪耀
但是中阶梯光栅它又有它的问题
它的自由光谱范围比较小
因此需要有一个预色散
来解决光谱重叠问题
那么从接收器方面看
中阶梯光栅它是用了面阵CCD接收
而普通的全息光栅光谱仪
是用的线阵CCD
或者光电倍增管作为接收元件
到此我们看
如果中阶梯光栅
它用面阵的CCD作为接收元件
那么如果信号非常弱
信噪比也不会很好
特别是对于测红外光谱的时候
CCD也不好做
那么如何提高所探测信号的信噪比呢
如何去探测更弱的信号呢
这点我们下节课再讲
这节课就到这儿 谢谢
-1.1 为什么要学光电仪器设计
-1.2 课程简介
--1.2 课程简介
-1.3 学习方法和课程要求
-2.1 误差基本概念
-2.2 误差表示方法
-2.3 实验设计方法
-2.4 误差分析实例
-2.5 仪器误差分配
-第2章-仪器误差分析与分配-练习题
-3.1 什么是阿贝误差
-3.2 阿贝误差的补偿
-3.3 工程应用中如何补偿阿贝误差
-3.4 光学自适应原则
-第3章-光电仪器设计原则-练习题
-A1 走进光学实验室
-A2 调整光线与导轨平行
-A3 针孔滤波和光束的扩束准直
-A4 干涉实验
--A4 干涉实验
-A5 光纤耦合
--A5 光纤耦合
-4.1 泰曼格林干涉仪与双频干涉仪
-4.2 双频干涉仪的位相测量方法
-4.3 双频激光干涉仪的组成与使用
-4.4 神奇的角锥棱镜和猫眼反射镜
-4.5 平面镜干涉仪
-4.6 几何量测量用干涉仪
-4.7 干涉仪安装
-访谈 双频激光干涉仪开发过程中的点点滴滴
-4.8 菲索面形测量干涉仪
-4.9 面形测量干涉仪新进展
-4.10 菲索干涉仪使用
-第4章-干涉仪-练习题
-5.1 光谱仪分类与指标
-5.2 与能量相关的指标
-5.3 全息光栅色散型光谱仪
-5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪
-5.5 傅立叶变换光谱仪
-5.6 傅立叶变换光谱仪的参数计算
-5.7 外差型傅立叶变换光谱仪
-5.8 空间调制傅立叶变换光谱仪
-5.9 原子吸收分光光度计使用
-5.10 紫外分光光度计使用
-访谈 浅谈国产光谱仪的发展
-第5章-光谱仪-练习题
-6.1 显微镜发展历史
-6.2 典型显微图像及其功能
-6.3 显微镜的基本结构
-6.4 显微镜成像原理、放大率及分辨率
-6.5 物镜和目镜、成像像差
-6.6 光源和滤波片、照明方式
-6.7 显微镜的操作方法
-6.8 超高分辨率受激发射耗损（STED）显微镜技术
-6.9 相衬显微成像技术
-访谈 国产显微镜发展历程
-访谈 显微镜最新发展趋势
-第6章-显微镜-练习题
-7.1 飞秒激光频率梳
-7.2 飞秒光梳测距1
-7.3 飞秒光梳测距2
-7.4 飞秒光梳光谱分析
-7.5 激光跟踪仪原理
-访谈 激光跟踪仪的发展和应用
-7.6 激光跟踪仪的功能演示
-第7章-光电仪器新进展-练习题
-8.1 标准器概述与光波波长
-8.2 标尺和度盘
-8.3 莫尔条纹的几何解释
-8.4 莫尔条纹的衍射光学解释
-8.5 光栅读数头
-8.6 光栅尺参数设计和误差
-第8章-标准器-练习题
-9.1 横纵向瞄准
-9.2 读数测微系统
-9.3 光电瞄准
--9.3 光电瞄准
-9.4 纵向定位概述和共焦法
-9.5 其他纵向定位方法
-第9章-横纵向瞄准-练习题
-B1 相机原理与摄影入门
-B2 相机的变焦和对焦技术
-B3 单反相机的基本操作
-B4 复杂场景下的拍摄技巧
-B5 浅谈构图和后期处理
-课程总结
--课程总结
-期末答疑
-考试--期末考试
