光栅光谱仪原理

什么是光谱仪?根据光与物质相互作用引起物质原子、分子内部量子化能级之间的跃迁产生的发射、吸收、散射波长或强度变化，检测并处理这类变化的仪器被称为光谱仪。因此，光谱仪的基本功能，就是将复色光在空间上按照不同的波长分离/ 延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。

光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。而无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱等，如何获得单波长辐射(单色光)是不可缺少的手段。现代单色仪具有很宽的光谱范围(UVIR)，高光谱分辨率(到0.001nm), 自动波长扫描，完整的电脑控制功能，极易与其他周边设备组合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。

关于光栅

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。

光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成;复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。

如何选择光栅

选择光栅主要考虑如下因素：

1、光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择;

2、闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm;

3、使用范围，光栅的使用的下限通常可认为是光栅闪耀波长的一半，上限可认为是光栅闪耀波长的二倍，实际可参考光栅效率曲线图;

4、光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

光栅方程

反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。如图所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为α，衍射角为β，衍射级次为m，d 为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：mλ=d(sinα+sinβ)。

定义φ 为入射光线与衍射光线夹角的一半， 即φ=(α-β)/2 ;θ 为相对于零级光谱位置的光栅角， 即θ=(α+β)/2, 得到更方便的光栅方程：mλ=2dcosφsinθ

从该光栅方程可看出：

对一给定方向β，可以有几个波长与级次m 相对应λ 满足光栅方程。比如600nm 的一级辐射和300nm 的二级辐射、200nm 的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。

衍射级次m 可正可负。对相同级次的多波长在不同的β 分布开。含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变α，则在α+β 不变的方向得到不同的波长。

审核编辑黄宇