阶梯光栅光谱响应校准方法研究

　　1　引　言

　　光栅作为光谱仪的最常用到的色散元件,它的色散率、分辨率、集光本领等成为评价一台光栅光谱仪性能高低的重要指标。在传统的光栅设计中,通过增加刻线密度和光栅有效宽度来提高光栅的色散率和分辨率,但由于技术与成本的原因,刻线密度的增加在一定程度上实现起来很困难,增加光栅有效宽度则使仪器尺寸变得非常庞大,对实际制作与应用造成诸多不便。1949年美国麻省理工学院的Harrison教授摆脱常规光栅的设计思路,从增加衍射角,利用“短槽面”获得高衍射级次着手,增加两刻线间距离的方法研制成阶梯光栅(Echelle),这种光栅刻线数目较少(8~80条),使用的光谱级次高(28~200),具有光谱范围宽、色散率大、分辨率好等突出优点[1-3]。交叉色散的实现解决了其光谱级次间重叠的问题,使以阶梯光栅为色散元件的阶梯光栅光谱仪的应用得到推广。但是阶梯光栅光谱仪由于其内部光栅的特殊构造和独特的工作机制,成像特征与传统光栅光谱仪有着较大的区别。本文对阶梯光栅光谱仪的工作原理和成像特征进行了分析,并针对此类光谱仪提出了一种基于标准灯的光栅响应校准方法,目的在于提供被检测信号强度的真实分布关系,并通过实验验证了此方法的合理性与准确性。

　　2　阶梯光栅光谱仪的工作原理[4-5]

　　阶梯光栅光谱仪的工作原理如图1所示,首先一束白光由狭缝入射,经校正透镜准直后平行入射,通过标准色散光栅(或色散棱镜)纵向分光,这次分光是为了解决阶梯光栅不同波长的衍射光的不同衍射级光谱发生光谱重叠的问题,纵向分光后不同波段的光经阶梯光栅横向分光,最终由探测器接收,反馈出光谱图。

　　3　阶梯光栅光谱仪的成像特征

　　不同于传统光栅光谱仪的线状谱,阶梯光栅光谱仪探测器最初产生的是二维光谱,衍射级上的每一处“亮点”就代表了一个峰值,不同衍射级反映出了不同的波段,同一衍射级则反映了衍射角近似相同的一个波段的光谱性质,如图2所示,最终由软件将不同的衍射级谱段拼合起来成为一个全波段的光谱。

　　阶梯光栅光谱仪每一衍射级中的衍射光光强能量主要集中在该级闪耀波长(在每级光谱中,衍射角与入射角相同的波长为光栅该级的闪耀波长,也是光栅该级次最大衍射效率点)附近,最佳闪耀波段两侧能量锐减,如图3所示,也就是说即使入射信号相同,衍射光强也会由于衍射效率的不同发生变化,反映在光谱图上为谱线的高低起伏。闪耀波段处信号强,闪耀波段两侧信号低。使得阶梯光栅光谱仪采集到的光谱信号强度分布不能正确反映入射光谱线的真实强度分布,阶梯光栅光谱仪闪耀特性造成的光栅效率不同是产生不同光栅响应的主要原因;其次,探测器灵敏度、交叉色散等因素也造成衍射光强分布与入射光强分布的偏移,形成了不同的光栅响应。光栅响应的存在造成了获取光谱强度分布与真实值的不符。现在光谱分析的定量化研究的基本思想就是通过待测目标中某种元素光谱线的相对强度的强弱来确定此种元素在待测目标中的含量大小。如果不能反映出真实的相对强度分布,定量化研究就很难甚至无法进行,所以必须对光栅响应进行校准。