5.1 光谱仪分类与指标在线视频

大家好

从这节课开始

我们将以光谱仪为例

来介绍分析仪器

分析仪器与计量仪器的差别

是它对溯源的要求不高

更侧重对比与分析

那么分析仪器

它在仪器中占的比重非常多

比如说冶金行业中的金属成分分析

制药行业

环保领域等

也都少不了分析仪器

在这部分

我们会介绍典型的光谱仪

比如分光型光谱仪

傅立叶变换光谱仪

下面我们来看一下光谱仪的指标

比如说我们想测量这样一个白菜

那么我们可以用宽光谱来照射这个白菜

由于白菜的吸收呢

透过白菜的光谱就发生了变化

那么不同波长它的强度是不一样的

如果我们把这个光谱画成一个图

就像这样

那么横坐标是波长

纵坐标是能量

当然横坐标也可以用波数来表示

波数就是波长的倒数

它的单位是厘米分之一

那么在红外光谱仪里面呢

横坐标经常是用波数来表示的

在可见光或者紫外的光谱仪里面呢

横坐标主要还是用波长表示得比较多

那么纵坐标主要是各个波长的能量

下面我们再详细看一下

与波长相关的指标

首先是光谱范围

比如说

一个多色光入射到光栅上

那么由光栅的衍射光

就衍射出不同波长的光谱

那么这个不同波长的光谱

最小的波长

和最大的波长之间的范围

就是光谱范围

第二个是波长的准确性和复现性

波长的准确性当然很好理解

也就是说它标准的波长应该在这儿

你就应该入射到这儿

它不能是发生变化

那么波长的复现性

也就是说这次开机

下次开机

那可能它的位置会有一些变化

那么这个实际上是

指的是波长的复现性

还有就是光谱的色散和分辨率

比如说在这儿我们考察这点

那么因为它这个光谱

它实际上是有一定的大小的

那么我们需要考虑它的分辨率

也就是说第一个波长的光谱在这儿

它的中心波长

然后它λ+Δλ中心波长在这儿

那么这时候我们是否能分开它呢

实际上不仅要看它是否色散得开

也要看它是否足够的细

再有一个指标是光谱的带宽

这个带宽它是能量和分辨率的一个平衡

比如说如果我要是用一个狭缝

来探测这个光谱的话

那么如果狭缝比较窄

那么这时候测量出来的分辨率

可能会比较高

但是能量就比较弱了

如果要是狭缝比较大的话

比如说像这样

那我们可以探测一个比较大的能量

但是分辨率就有所降低了

下面我们来看自由光谱范围

先问这样一个问题

是否可以用一块光栅

来测量光谱范围为

400到1100纳米的光谱呢

我们先看一下光栅方程

这个光栅方程右面是入射条件

m是使用的衍射级次

λ是波长

d是光栅周期

右边的这个θ角

实际上是一个入射角

那么左边的这个θm是光栅的衍射角

从这个方程里头我们可以看出

比如说对于400纳米的波长

那么它的2级衍射

也就是说m等于2

那么2乘400等于800

和800纳米波长

它的衍射角实际上是在一块的

就像这样

那么蓝色比如说是400纳米波长

那么它的2级衍射光

正好和这个红色

800纳米的衍射光的1级是重合的

因此我们就探测到了两个波长

在这个探测器上

那么这样的话

显然就没法测量光谱了

那么从这里头

我们可以根据这个公式

来推导自由光谱范围

自由光谱范围

它是指在光谱级次中

同一个位置只有一个光谱

那么比如我们还以这个

400到1100的光谱测量为例

那么它的自由光谱范围呢

就是λ等于400

那也就是说分子是400

那么分母是m是用1

就是说用800纳米波长的1级

那么这样除出来

自由光谱范围是400纳米

也就是说它可以

测量400纳米到800纳米的光谱

测量这个光谱是没有光谱重叠的

下面我们再来看波长的准确性

波长的准确性是一个仪器的精度指标

一般来讲光谱仪测量到的波长

是要和实际的波长

进行标定比对的

那么如果测量出来的波长

和实际真实的波长有差异

那么这个反映的就是波长的准确性

所以对于一个光谱仪

我们需要用灯

来进行光谱波长的准确性标定

那么有的时候这个灯

它只有在某些位置会有谱线

有些位置它没有谱线

那么还有一种方式

现在也有用这个光频梳来进行

光谱位置的标定的

总之这个波长的准确性

是靠标定来实现的

那么波长的复现性呢

实际上是指仪器的稳定性指标

那么也就是说

对样品进行多次扫描测量

它的谱峰位置应该是相同的

那么如果它要是不同了呢

就反映了它的复现性指标了

比如说这块扫描好几次

它这个谱峰是错位的

而这台光谱仪你扫描了好几次

它谱峰位置基本上不变

那么这时候我们就认为

这台光谱仪有更好的复现性

那么影响复现性的因素

主要是什么呢

温度变化会导致光栅周期变化

这是一个因素

如果用扫描光谱仪呢

那么扫描过程中它的转角变化

也会导致复现性误差

下面我们再来看一下色散率

比如说一个多色光

入射到一个色散元件上

好比说是光栅

那么这时候我们同样回顾一下

这是一个光栅方程

那么由于光栅的衍射呢

使得这个不同颜色的光呢

它的衍射角是不同的

我们把这个叫角色散率

那么如果我们在这儿

放了一个聚焦透镜

那么这时候聚焦透镜

如果它的焦距是f2'

那么这个时候呢

我们在这儿得到的是一个

不同颜色的光的一个谱面

在谱面上得到的光点的排布

这个反映的是线色散率

也就是说如果光栅周期d越小

那么它的色散率就越大

但是当光栅周期d确定的时候

如果m或者是入射角θ大的话呢

它们的色散率也会越大

好 下面是另外一个指标

光谱分辨率

是否色散越大

那么它的分辨率越高呢

我们知道

分辨率是说分开波长极为相近的

两条谱线的能力

那么比如说像这块

它色散开了

但是这个谱线它不够锐

所以分辨不开

那么有的时候很锐

但是又没色散开

它也分辨不开

所以我们需要用色散的公式

来计算这个条纹的间距

也需要用多缝干涉的公式

来计算这个条纹的半宽度

那么按照瑞利判据

也就是说条纹间距等于条纹半宽度的时候

那么这时候呢

我们就得到了分辨率Δλ

就像这个图这样

它实际上是说

一个条纹的峰值

对应了另外一个条纹的谷值

从这里头

我们就可以知道光谱分辨率

它是和色散

还有光谱的宽度有关的

这就是光谱分辨率

在不同波长处

分辨率是不同的

而这个N是什么呢

N是我入射光在光栅上涵盖的

光栅的线条数

那么N越大

分辨率就越高

分辨率该怎么测量呢

一种比较简单的方法是用一个灯

如果这个灯它有两条

靠得很近的谱线

那我们一下测测看

我是否能分开这两条谱线呢

不就可以知道了吗

但实际上很多情况下

是找不着这两条谱线的

也就是说这两条谱线

在有的地方有

有的地方就没有了

那么这时候也有一种方法

是用某一根光谱的半高全宽

来表征它的分辨率

还有一个指标也是非常重要的

它叫光谱带宽

那么光谱带宽的定义

是在单色仪的出射狭缝上的光谱数

它的计算呢

是用倒线色散乘以出射狭缝的宽度

比如说在出射狭缝上有这么多的光谱

那么这个是出射狭缝

那么如果说出射狭缝它的宽度是0.2毫米

那么光栅的倒线色散是每毫米2.7纳米

那么它的带宽

就是2.7乘0.2等于0.54纳米

也就是说狭缝宽度越小 分辨率就越高

或者是说它的光谱带宽就越小

但是仪器的分辨率和仪器的亮度乘积

因为是一个常数

所以你不可能无限地去减小这个狭缝的宽度

那么也就是说在光谱仪里面

分辨率和这个仪器的测量的这个光强

它实际上是有矛盾的

这里需要强调的是

就是这光谱带宽呢

它跟分辨率有关

但是它又不等于分辨率

因为光谱带宽只考虑了这个光谱的色散

并没有考虑这个光谱它的宽度

下面我们小结一下这节课的内容

这节课我们介绍的是与波长相关的指标

也就是光谱图的横轴

如光谱的测量范围

这里主要搞清楚的是什么是自由光谱区

那么波长的准确性和复现性呢

需要知道的是准确性

主要靠标定保证

而复现性体现了仪器的稳定性

温度变化 振动等

都会影响仪器的复现性

那么波长的分辨率又和什么有关呢

主要要考虑的是光谱的色散

和光谱的锐度

而光谱带宽与光栅的色散

和狭缝的宽度有关

有的时候为了增加能量

需要加大出缝的宽度

但是这个时候能量增加了

光谱带宽也展宽了

因此在色散的光谱仪中

能量和分辨率是一对不可调和的矛盾

上面说了与波长相关的指标

那么与能量相关的指标又有哪些呢

这个我们下节课再讲

这节课先到这儿 谢谢