光谱技术光学基础和测试技术牛顿 1704年,若要了解物质内部的情况,只要看其光谱一、光谱仪及其参数二、各种光谱技术光谱仪的核心部件是分光系统。其作用是将多色光转化为单色光。
光谱仪通常可分成二大类：单色仪和摄谱仪 (多道光谱分析仪 )
一、光谱仪及其参数光谱仪的组成
光源、准直系统，色散系统，观察系统。
色散系统：棱镜，光栅,F-P干涉仪、声光过滤 AOTF。
观察系统：望远镜、照相透镜和底片、物镜和出射缝、硅光电池、光电二极管、光电三极管、
光电管、光电倍增管,CCD等。
分光原理：色散、衍射和干涉。
棱镜摄谱仪结构及光路图棱镜光谱仪结构狭缝准直系统棱镜暗盒棱镜台旋转调节机构成像系统成像调焦机构
CCD光强分布测量仪反光镜旋转调节手轮看谱窗光源 （ 自配 ）
棱镜光谱仪光路光栅光谱仪光栅光谱仪光路图
1、光谱仪的色散
d
d
d
d
S
S
D
D f DS
D
角 色 散,
线 色 散,
色散：表示波长差为单位波长的两同级主极大分开的角距离
1dd
SDS
线 色 散 倒 数,
常用倒数表示：如 0.5nm/mm,1.0nm/mm
2、光谱仪的分辨率
R
任何光谱仪器的分辨率本领的定义都是一样的。 常用的辨别方法是：当一根谱线的衍射极大正好落在另一根谱线的衍射极小上，则二谱线可分辨。
分辨本领表征仪器对不同波长谱线的分辨能力，主要决定于通光孔径的有效宽度以及色散率。
3、光谱仪的自由光谱区
1mm
m
入射光波长在 λ~ λ +Δλ连续波段内产生的 m级光谱不发生越级重叠,对应的 Δλ叫做自由光谱区。
λ是入射最小波长,Δλ是不发生重叠的入射波长范围 。
4、光谱仪的 集光本领
2
2sin dE B T B T
f
B是均匀照度,T是仪器的透过率,d是物镜通光孔径、
f是物镜焦距 。
5、光谱仪出射 狭缝最佳宽度
m in
fd
D
D是准直透镜的有效通光孔径,f是透镜焦距 。
光栅光谱仪光栅结构和分类
以平面光栅为例，平板玻璃上蒸镀上铝或其它高反射的金属，镀层上刻上锯齿形槽 ； 一般 1200条 /mm、
2400条 /mm,3600条 /mm；细槽要求理想平直、严格平行、等间隔、严格等同形状。如果有偏差，则会出现鬼线；
反射光栅与透射光栅；平面光栅与凹面光栅；机 (光 )刻光栅与全息光栅；普通光栅、闪耀光栅（相位光栅）、
阶梯光栅。
光栅分类
机 (光 )刻光栅：一般为反射光栅，分平面光栅与凹面光栅；
全息光栅：一般为普通光栅 (非闪耀光栅 )，分反射光栅与透射光栅；
闪耀光栅（相位光栅）、阶梯光栅,光强主极大从 0级移到了高级。闪耀光栅的光极大移到 1级，称小阶梯光栅；闪耀光栅的光极大移到 40-120级，称中阶梯光栅。
光栅分光原理
a为狭缝宽度,b为狭缝间距,d=a+b称作光栅常数 (通常由单位宽度内的条数表示，如 2400条 /mm)；
光栅方程：
s i ndm
d =a +b
a
b
反射闪耀光栅
非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在没有被色散的,零级光谱,中，小部分能量分散在其它各级光谱。
零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。
为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范围，
近代的光栅采用定向闪耀的办法。即将光栅刻痕刻成一定的形状，
使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度，使衍射光强主最大从原来与不分光的零级主最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定的反射方向。结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀。辐射能量最大的波长称为闪耀波长。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角,称为闪耀角。每一个小反射面与光栅平面的夹角保持一定，以控制每一小反射面对光的反射方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，这种光栅称为闪耀光栅 (小阶梯光栅 )。
反射闪耀光栅当?=?=? 时，在衍射角?的方向上可得到最大的相对光强。
反射闪耀光栅分光
光栅公式表示 d(sin? +sin?)= m?,?角规定为正 值；
如果?角和?角在光栅法线同侧,?取正值，异侧则取负值；当 m=0时，即零级光谱，衍射角与波长无关，
也就是无分光作用。
当 m不等于零时，衍射角或反射角随波长而异，
即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在不同空间位置上，这就是光栅进行分光的依据。
闪耀光栅特性
d
d c o s
m
d
光栅的特性可用色散率、分辨能力和闪耀特性来表征。
当入射角?不变时，光栅的角色散率可用光栅公式微分求得
如果?角 很小时且变化不大可认为 cos? ≈1。 则光栅角色散率只决定于光栅常数 d和光谱级次 m,可认为不随波长而变，这样的光谱称为,匀排光谱” 。
光栅的分辨率 R等于光谱级次 m与光栅刻痕总数 N的乘积，有些光谱仪有 254mm大光栅，分辨率达 6?105
R m N
谱线重叠的消除
由光栅方程 d(sin?+sin?)=m?可见，当 d,?一定时，
衍射角的大小和入射角的波长有关。当 m与?的乘积相同的辐射将分散在同一空间位置，即谱线重叠。 消除谱线重叠的方法有多种，最常用的是利用滤光片吸收干扰波长。
凹面光栅 (罗兰圆 )
棱镜光谱仪棱镜的色散
不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率，波长短的光折射率大，波长长的光折射率小。因此，平行光经色散后按波长顺序分解为不同波长的光，经聚焦后在焦面的不同位置成像，得到按波长展开的光谱。
常用的棱镜有 Cornu棱镜是顶角?为 60?的棱镜；为了防止生成双像,Littrow棱镜是由 2个 30?棱镜组成，一边为左旋石英，另一边为右旋石英，左旋、右旋石英做成 30?棱镜。
对于同一材料，光的折射率为其波长的函数。在可见 -
紫外光谱区域,n = A + B/?2 + C/?4。 当包含有不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因折射率不同而分开。这种作用称为棱镜的色散作用。
折射率与最小偏向角
取一个棱角为 A的等边棱镜，
它的折射线与入射线的夹角叫做偏向角?。当入射线射入棱镜内的折射线与棱镜底边平行时，入射角与出射角相等，此时偏向角最小,称为最小偏向角 。
sin
2
sin
2
A
n
A
棱镜的色散关系
d d d
d d d
nn?
sin
2
sin
2
A
n
A
从最小偏向角?和棱镜的顶角 A,可以求出棱镜的折射率。微分得到可得角色散率：
22
2 sindd
2
dd
1 sin
2
A
n
An
在光谱仪中，棱镜一般安装在最小偏向角的位置。 棱镜的顶角 A和棱镜的折射率 n越大，则角色散率越大。
此外，还可用多个棱镜来增大角色散率。
注意：增大顶角和增加棱镜数，都会引起光谱强度损失。
棱镜的色散与波长的关系
24n A B C
从材料折射率与波长的对应关系求导可以看出：短波的色散率较大、长波的色散率较小。因此，棱镜的色散情况与光栅不一样，而且与材料参数 A,B和 C有关，
棱镜给出 非均排光谱,在使用时需要标定。
35d 24
d
n BC
棱镜的分辨率
b
分辨率与棱镜底边的有效长度 b和棱镜材料的色散率
dn/d?成正比。
d
d
nRb?
棱镜光谱仪与光栅光谱仪比较棱镜单色仪的缺点,
① 分辨本领低 ;
② 需要单独定标 —— 输出光波长与偏转角不成正比；
③ 不同波段的分光元件不同，如红外用氯化钠晶体棱镜，可见光波段用光学玻璃棱镜，紫外光用石英晶体棱镜。
F-P光谱仪
F-P干涉光谱仪
是目前分辩率最高的仪器，结构极为简单。
优点：分辩率高、色散大。
缺点：自由光谱区小，防震要求高。
要求：不平度小于所用波长的 1/50，内表面反射率
80%-90%。楔角不超过 1° 。
F-P干涉光谱仪的色散率
2 c o sh n m
n
h
内反射表面间隔 h、折射率 n，则干涉极大满足：
2 sin d d
d 1 1
d 2 sin ta n
h n m
m
hn
F-P干涉光谱仪的光谱分辨率
1
RR m F m
R
F为有效干涉光束数，一般为 20-50，取决于内表面反射率 R的大小。
F-P干涉光谱仪的自由光谱区
2
2 c o s2 c o s
m
hmh
例,h=100mm,波长 500nm时，自由光谱区为
0.00125nm。
F-P干涉仪的应用
F-P干涉光谱仪具有分辨率高、自由光谱范围窄的特点，主要用于分析光谱的超精细结构，如
Zeemann效应等。
用于波长标定,透射干涉极大的波长
,.,,)3,2,1( 2 mmnhm?
光纤光谱仪
利用光纤引入信号光；
微型化；
主要用于在线监测。
考虑
1,检测紫外、可见和红外光谱信号的光栅常数有什么区别？
2,推导光栅的主极大角宽度和光谱分辨率；
3,推导 F-P干涉仪的光谱分辨率。
光谱仪通常可分成二大类：单色仪和摄谱仪 (多道光谱分析仪 )
一、光谱仪及其参数光谱仪的组成
光源、准直系统，色散系统，观察系统。
色散系统：棱镜，光栅,F-P干涉仪、声光过滤 AOTF。
观察系统：望远镜、照相透镜和底片、物镜和出射缝、硅光电池、光电二极管、光电三极管、
光电管、光电倍增管,CCD等。
分光原理：色散、衍射和干涉。
棱镜摄谱仪结构及光路图棱镜光谱仪结构狭缝准直系统棱镜暗盒棱镜台旋转调节机构成像系统成像调焦机构
CCD光强分布测量仪反光镜旋转调节手轮看谱窗光源 （ 自配 ）
棱镜光谱仪光路光栅光谱仪光栅光谱仪光路图
1、光谱仪的色散
d
d
d
d
S
S
D
D f DS
D
角 色 散,
线 色 散,
色散：表示波长差为单位波长的两同级主极大分开的角距离
1dd
SDS
线 色 散 倒 数,
常用倒数表示：如 0.5nm/mm,1.0nm/mm
2、光谱仪的分辨率
R
任何光谱仪器的分辨率本领的定义都是一样的。 常用的辨别方法是：当一根谱线的衍射极大正好落在另一根谱线的衍射极小上，则二谱线可分辨。
分辨本领表征仪器对不同波长谱线的分辨能力，主要决定于通光孔径的有效宽度以及色散率。
3、光谱仪的自由光谱区
1mm
m
入射光波长在 λ~ λ +Δλ连续波段内产生的 m级光谱不发生越级重叠,对应的 Δλ叫做自由光谱区。
λ是入射最小波长,Δλ是不发生重叠的入射波长范围 。
4、光谱仪的 集光本领
2
2sin dE B T B T
f
B是均匀照度,T是仪器的透过率,d是物镜通光孔径、
f是物镜焦距 。
5、光谱仪出射 狭缝最佳宽度
m in
fd
D
D是准直透镜的有效通光孔径,f是透镜焦距 。
光栅光谱仪光栅结构和分类
以平面光栅为例，平板玻璃上蒸镀上铝或其它高反射的金属，镀层上刻上锯齿形槽 ； 一般 1200条 /mm、
2400条 /mm,3600条 /mm；细槽要求理想平直、严格平行、等间隔、严格等同形状。如果有偏差，则会出现鬼线；
反射光栅与透射光栅；平面光栅与凹面光栅；机 (光 )刻光栅与全息光栅；普通光栅、闪耀光栅（相位光栅）、
阶梯光栅。
光栅分类
机 (光 )刻光栅：一般为反射光栅，分平面光栅与凹面光栅；
全息光栅：一般为普通光栅 (非闪耀光栅 )，分反射光栅与透射光栅；
闪耀光栅（相位光栅）、阶梯光栅,光强主极大从 0级移到了高级。闪耀光栅的光极大移到 1级，称小阶梯光栅；闪耀光栅的光极大移到 40-120级，称中阶梯光栅。
光栅分光原理
a为狭缝宽度,b为狭缝间距,d=a+b称作光栅常数 (通常由单位宽度内的条数表示，如 2400条 /mm)；
光栅方程：
s i ndm
d =a +b
a
b
反射闪耀光栅
非闪耀光栅其能量分布与单缝衍射相似，大部分能量集中在没有被色散的,零级光谱,中，小部分能量分散在其它各级光谱。
零级光谱不起分光作用，不能用于光谱分析。而色散越来越大的一级、二级光谱，强度却越来越小。
为了降低零级光谱的强度，将辐射能集中于所要求的波长范围，
近代的光栅采用定向闪耀的办法。即将光栅刻痕刻成一定的形状，
使每一刻痕的小反射面与光栅平面成一定的角度，使衍射光强主最大从原来与不分光的零级主最大重合的方向，转移至由刻痕形状决定的反射方向。结果使反射光方向光谱变强，这种现象称为闪耀。辐射能量最大的波长称为闪耀波长。光栅刻痕反射面与光栅平面的夹角,称为闪耀角。每一个小反射面与光栅平面的夹角保持一定，以控制每一小反射面对光的反射方向，使光能集中在所需要的一级光谱上，这种光栅称为闪耀光栅 (小阶梯光栅 )。
反射闪耀光栅当?=?=? 时，在衍射角?的方向上可得到最大的相对光强。
反射闪耀光栅分光
光栅公式表示 d(sin? +sin?)= m?,?角规定为正 值；
如果?角和?角在光栅法线同侧,?取正值，异侧则取负值；当 m=0时，即零级光谱，衍射角与波长无关，
也就是无分光作用。
当 m不等于零时，衍射角或反射角随波长而异，
即不同波长的辐射经光栅反射后将分散在不同空间位置上，这就是光栅进行分光的依据。
闪耀光栅特性
d
d c o s
m
d
光栅的特性可用色散率、分辨能力和闪耀特性来表征。
当入射角?不变时，光栅的角色散率可用光栅公式微分求得
如果?角 很小时且变化不大可认为 cos? ≈1。 则光栅角色散率只决定于光栅常数 d和光谱级次 m,可认为不随波长而变，这样的光谱称为,匀排光谱” 。
光栅的分辨率 R等于光谱级次 m与光栅刻痕总数 N的乘积，有些光谱仪有 254mm大光栅，分辨率达 6?105
R m N
谱线重叠的消除
由光栅方程 d(sin?+sin?)=m?可见，当 d,?一定时，
衍射角的大小和入射角的波长有关。当 m与?的乘积相同的辐射将分散在同一空间位置，即谱线重叠。 消除谱线重叠的方法有多种，最常用的是利用滤光片吸收干扰波长。
凹面光栅 (罗兰圆 )
棱镜光谱仪棱镜的色散
不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率，波长短的光折射率大，波长长的光折射率小。因此，平行光经色散后按波长顺序分解为不同波长的光，经聚焦后在焦面的不同位置成像，得到按波长展开的光谱。
常用的棱镜有 Cornu棱镜是顶角?为 60?的棱镜；为了防止生成双像,Littrow棱镜是由 2个 30?棱镜组成，一边为左旋石英，另一边为右旋石英，左旋、右旋石英做成 30?棱镜。
对于同一材料，光的折射率为其波长的函数。在可见 -
紫外光谱区域,n = A + B/?2 + C/?4。 当包含有不同波长的复合光通过棱镜时，不同波长的光就会因折射率不同而分开。这种作用称为棱镜的色散作用。
折射率与最小偏向角
取一个棱角为 A的等边棱镜，
它的折射线与入射线的夹角叫做偏向角?。当入射线射入棱镜内的折射线与棱镜底边平行时，入射角与出射角相等，此时偏向角最小,称为最小偏向角 。
sin
2
sin
2
A
n
A
棱镜的色散关系
d d d
d d d
nn?
sin
2
sin
2
A
n
A
从最小偏向角?和棱镜的顶角 A,可以求出棱镜的折射率。微分得到可得角色散率：
22
2 sindd
2
dd
1 sin
2
A
n
An
在光谱仪中，棱镜一般安装在最小偏向角的位置。 棱镜的顶角 A和棱镜的折射率 n越大，则角色散率越大。
此外，还可用多个棱镜来增大角色散率。
注意：增大顶角和增加棱镜数，都会引起光谱强度损失。
棱镜的色散与波长的关系
24n A B C
从材料折射率与波长的对应关系求导可以看出：短波的色散率较大、长波的色散率较小。因此，棱镜的色散情况与光栅不一样，而且与材料参数 A,B和 C有关，
棱镜给出 非均排光谱,在使用时需要标定。
35d 24
d
n BC
棱镜的分辨率
b
分辨率与棱镜底边的有效长度 b和棱镜材料的色散率
dn/d?成正比。
d
d
nRb?
棱镜光谱仪与光栅光谱仪比较棱镜单色仪的缺点,
① 分辨本领低 ;
② 需要单独定标 —— 输出光波长与偏转角不成正比；
③ 不同波段的分光元件不同，如红外用氯化钠晶体棱镜，可见光波段用光学玻璃棱镜，紫外光用石英晶体棱镜。
F-P光谱仪
F-P干涉光谱仪
是目前分辩率最高的仪器，结构极为简单。
优点：分辩率高、色散大。
缺点：自由光谱区小，防震要求高。
要求：不平度小于所用波长的 1/50，内表面反射率
80%-90%。楔角不超过 1° 。
F-P干涉光谱仪的色散率
2 c o sh n m
n
h
内反射表面间隔 h、折射率 n，则干涉极大满足：
2 sin d d
d 1 1
d 2 sin ta n
h n m
m
hn
F-P干涉光谱仪的光谱分辨率
1
RR m F m
R
F为有效干涉光束数，一般为 20-50，取决于内表面反射率 R的大小。
F-P干涉光谱仪的自由光谱区
2
2 c o s2 c o s
m
hmh
例,h=100mm,波长 500nm时，自由光谱区为
0.00125nm。
F-P干涉仪的应用
F-P干涉光谱仪具有分辨率高、自由光谱范围窄的特点，主要用于分析光谱的超精细结构，如
Zeemann效应等。
用于波长标定,透射干涉极大的波长
,.,,)3,2,1( 2 mmnhm?
光纤光谱仪
利用光纤引入信号光；
微型化；
主要用于在线监测。
考虑
1,检测紫外、可见和红外光谱信号的光栅常数有什么区别？
2,推导光栅的主极大角宽度和光谱分辨率；
3,推导 F-P干涉仪的光谱分辨率。
