光栅光谱仪分辨率及波长范围计算公式的研究

　　0　引言

　　光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置.它的基本作用是测定被研究的光(所研究的物质发射的、吸收的、散射的或受激发射的荧光等)的光谱组成,包括它的波长、强度、与轮廓等,具有分析准确度高、测量范围大、速度快和样品用量少等优点.因此,广泛用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等部门,也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文勘测所必不可少的仪器[1-9].

　　1958年我国研制了第一台光谱仪器.近几十年来,在激光技术、电子技术、信息处理技术、计算机技术以及新型光电子元件的推动下,光谱仪器有了很大发展.特别是应用了微处理技术,使光谱仪器向高准确度、高分辨率、高效益、多功能、自动检测和人工智能化方向发展.同时,激光光谱仪、调制光谱仪、光谱-色谱技术、光谱—声谱技术也有相当大的进展,使该技术领域具有广阔的发展前景.目前已经生产多种型号的摄谱仪、紫外—可见分光光度计、红外分光光度计、原子吸收分光光度计、双波长分光光度计、激光喇曼分光光度计等[1-3].

　　光谱仪相关文献中大多有涉及分辨率的分析[2-12],但是大部分侧重于某一因素或某几个因素对分辨率的影响,对分辨率的分析主要是定性分析,且文献中并无光栅光谱仪分辨率及可测波长范围与各结构参量之间关系的计算公式.本文推导出入射光线与衍射光线的夹角、入射角、衍射角及可测波长范围的计算公式,及分辨率与狭缝宽度等结构参量之间关系的计算公式.并对光谱仪的性能参量进行了分析研究.为光谱仪的研究和设计提供了新的计算方法.

　　1　Ebert-Fastie型光谱仪的工作原理

　　光谱仪结构如图1[1],G为光栅,起色散作用,M为反射镜,起准直和成像作用,S1为入射狭缝,S2为出射狭缝.由狭缝S1处发出的光经反射镜准直入射到光栅上,经光栅衍射后,不同波长的光由反射镜M成像在狭缝S2上不同的点,由置于狭缝S2处的探测器接收.

　　设计Ebert-Fastie型光谱仪时,准直和成像系统一般采用球面反射镜,且r=2f′,即球面反射镜半径为其焦距的二倍.若采用抛物镜,则虽然无球差但彗差很大.在光谱仪器中,m=b/2f′是表征孔径光阑(衍射光栅)中心与反射镜曲率中心之间距离的系数,其中b为孔径光阑中心到反射镜曲率中心的距离.当光阑放在球面镜曲率中心C上时m=0,此时消除了彗差.然而色散元件一般是放在离准直物镜0.8~1.2f′的地方,这时m≈0.6~0.5,所以单个球面镜不能完全消彗差[1].

　　2　光栅光谱仪参量分析和波长适用范围的推导

　　2.1　入射光与衍射光角度及可测量波长范围的计算