5.4 中阶梯光栅色散型光谱仪在线视频

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