自动光栅单色仪波长标定技术

　　0　引言

　　单色仪是一种常见的光谱[1]测量仪器,能够分析复合光在不同波长上的能量分布,广泛应用于物质元素成分分析和高温光源温度测量的各领域。分光器件是单色仪的核心部件,现在的单色仪多采用反射光栅。在自动单色仪中,反射光栅被置放在精密转台上,由步进电机带动旋转实现角度扫描,光电检测器检测单色光强度的变化。在电脑的控制下,扫描到不同的波长位置,测量出这些位置不同的光线强度,从而完成光谱曲线的自动测量。在自动测量过程中,步进电机转过的步数到光波波长的计算公式,直接影响仪器的测量精度。

　　为保证单色仪的波长测量精度,标定工作必不可少。采用多项式拟合方法[2-3]实现波长标定。多项式拟合是一种通用的标定方法,其精度高低取决于标定点数的多少。实用光源,如汞灯,其标准谱线个数非常有限。在全波长范围内,特别是远离标准谱线的位置,多项式拟合标定方法的精度有限。而使用正弦曲线拟合方法有明显的优势。光栅方程本身符合正弦规律,少量的标定点就可以满足拟合精度要求。适当选取待定参数,可以大幅度减少拟合运算过程中的计算复杂性。

　　1　测量原理

　　自动单色仪的核心器件是反射光栅。反射光栅的衍射理如图1所示

　　根据光栅衍射理论[4],闪耀光栅的衍射方程为

　　式中:d是光栅刻线间距; i和i′分别是相对光栅法线入射角和衍射角;n为衍射光谱的级次;λ为衍射光波长。

　　对式(1)进行三角函数变换,得到

　　式中θ是入射光和衍射光夹角的半角.

　　在测试仪器中,入射光线和衍射出射光线间的夹角是固定值。因为入射光和出射零级光满足反射定律,关于光栅法线对称,所以α是出射零级光与衍射光夹角的半角。实际上,在入射光不动的条件下,光栅转动某个角度,出射光会扫描过2倍的角度。这样,α代表的是光栅的转动角度,即从对准零级光开始,光栅扫描到某波长衍射光时,所转动过的角度。

　　满足式(3)的波长形成一系列不同级次的光谱线。其中零级光由于包含了所有波长,为复合光,用于确定波长零位。一级光能量较强,可以用作波长测量。单色仪的工作原理是,使用精密转台使反射光栅可以转动,给定不同转动角度α,观察这些角度上是否有衍射光出现,搜索到有出射光时,根据式(3)计算出波长λ.单色仪这种仪器,把对波长λ的测量,转化成对角度α的测量。