波长光强分束器与光谱导数的实现

　　1　引　言

　　导数光谱又称为微分光谱,Dymond[1]首次提出把导数技术应用于物质分析领域,它是发射(吸收)光谱强度对波长λ的变化率,它对重叠谱有较好的分辨能力,可以放大谱带精细结构,从而有利于精确确定物质发射(吸收)峰的位置,能分辨出弱峰、肩峰、重叠峰和复合峰,提高光谱分析的灵敏度[2]。已广泛应用于化学分析、微量检测、医学分析和中药鉴定等领域[2~10]。目前,获得导数光谱的方法有[1]:双波长扫描法、波长调制法、固定狭缝法、位移记忆法、模拟微分法和计算机的数字微分法等。通常的导数光谱仪都是使用双波长法获得一阶导数谱,大多数的双光束技术采用双单色器设计,要控制两个单色器分出的单色光的波长差Δλ足够小(1~2 nm),对工艺技术的要求比较高。本文设计了一种波长光强分束器,它利用一台光栅单色仪和一个分光棱镜,成功地获得了发光体光谱的一阶导数,这有利于光源发射光谱的研究。该系统具有分辨率高、微分波长Δλ小,结果准确等特点。

　　2　波长光强分束器的基本原理

　　为了获得中心波长稍有差别的两光束I(λ+Δλ)和I(λ),利用一台光栅单色仪和一个分光棱镜,设计了一台波长光强分束器,它既能使复合光色散,又能调节色散光束强度大小。光栅单色仪输出光在空间展开成有规律分布的单色光,在输出狭缝口左右两边,光束的波长必然会有微小差别。在狭缝出口处,使用一个尖劈棱镜将光栅单色仪输出光分成波长稍有差别的两束光I(λ+Δλ)和I(λ),这两束光经棱镜进一步折射后分开为中心波长有微小差异、光强可以调节的空间上分离的光束。如图1所示,假如棱镜位于出射光束的中心位置,左边光的波长为λ,右边光的波长为λ+Δλ0。在极小的范围内,波长分布可以看成是线性的,因此,左右两光束的中心波长分别为λ+Δλ0/4和λ+3Δλ0/4,可计算这两光束的中心波长差为

　　若左右移动棱镜的位置,可以调节两光束的中心波长和光强的大小,就能同时实现波长和光强的空间分束与调节。

　　3　光谱导数原理与设计

　　由数学基本导数公式出发,光谱强度对波长λ的变化率(光谱导数)可以写为

　　式中I(λ+Δλ)和I(λ)分别代表发光体波长在λ+Δλ和λ处的光强。因此,只要同时满足下列三个条件,就可以实现光谱导数:1)获得两束光,它们的强度为λ的函数;2)两光束波长的差异足够小,即Δλ→0;3)实现I(λ+Δλ)和I(λ)的差分。