光栅单色仪设计

单色仪是一种光谱仪，它一次将单个波长或波段成像到出射狭缝上;通过入射和/或出射光学器件(通常是狭缝)相对于光栅的相对运动来扫描光谱。

平面光栅是指表面平坦的光栅。平面光栅通常用于准直入射光，该入射光被波长分散但不聚焦。平面光栅通常需要辅助光学器件，如透镜或反射镜，以收集和聚焦能量。一些简化的平面光栅用会聚光照射光栅，尽管系统的焦点特性将取决于波长。为了简单起见，下面只讨论平面反射光栅，尽管每个光栅具有透射光栅性质。

Czerny Turner单色仪

图6-1 Czerny-Turner 结构，平面光栅提供色散，凹面镜提供聚焦。

这种设计包括一个由准直光照射的经典平面光栅。入射光通常从光源或狭缝发散，并由凹面镜(准直器)准直，衍射光由第二凹面镜(相机)聚焦;见图6-1。理想情况下，由于光栅是平面的和经典的，并且用于准直入射光，因此不应将像差引入衍射波前。在实践中，由于经常使用球面镜，像差是由其离轴造成的。

像所有单色仪结构一样，波长是单独成像的。通过旋转光栅来扫描光谱;这使光栅法线相对于入射光束和衍射光束移动，从而改变向第二反射镜衍射的波长。由于入射到光栅上并由光栅衍射的光是准直的，对于每个波长，光谱在出射狭缝处保持聚焦，因为只有光栅可以引入波长相关的聚焦特性。

由辅助反射镜引起的像差包括像散和球面像差(每一个都由反射镜相加贡献);与所有凹面镜几何形状一样，像散随着反射角的增加而增加。彗星差虽然普遍存在，但可以通过适当选择反射镜的反射角在一个波长下消除;由于光栅的畸变(波长相关)切向放大率，其他波长的图像会经历更高阶的彗差(这只在特殊系统中会变得麻烦)。

Ebert单色仪

图6-2 Ebert 结构，一个凹面镜取代了Czerny-Turner结构上的两个凹面镜。

这种设计是Czerny Turner结构的一种特殊情况，其中一个相对较大的凹面镜同时用作准直器和成像镜(图6-2)。它的使用是受限的，因为杂散光和像差很难控制——后一种效果是由于设计中相对较少的自由度(与Czerny Turner单色仪相比)。这可以通过认识到Ebert单色仪是Czerny Turner单色仪的一种特殊情况来看出，其中两个凹面镜半径相同，并且它们的曲率中心重合。然而，Ebert结构提供的优点是避免了两个反射镜的相对错位。

Fastie改进了Ebert的设计，用弯曲的狭缝取代了直的入口和出口狭缝，从而获得了更高的光谱分辨率。

Monk Gillieson单色仪

图6-3 Monk-Gillieson结构，平面光栅用于聚光。

在该结构中(见图6-3)，平面光栅被汇聚光照亮。通常，从入射狭缝(或光纤)发散的光通过凹面镜的离轴反射而会聚(这会引入像差，因此入射到光栅上的光不是由完美的球面会聚波前组成的)。光栅对光线进行衍射，光线向出射狭缝会聚;通过旋转光栅使不同波长聚焦在出射狭缝处或附近来扫描光谱。反射角(来自主镜)、入射角和衍射角通常很小(从适当的表面法线测量)，这将像差(尤其是离轴像散)保持在最低限度。

由于入射光没有被准直，光栅将波长相关像差引入衍射波前。因此，当光栅旋转时，光谱不能在固定的出射狭缝处保持聚焦(除非该旋转是围绕从光栅的中心凹槽移位的轴进行的)。对于低分辨率应用，Monk Gillieson结构受到一定程度的欢迎，因为它代表了可以想象的最简单、最便宜的光谱系统。

Littrow单色仪

图6-4 Littrow单色仪结构，入口狭缝和出口狭缝分别略高于和略低于色散平面;为了清楚说明，它们被示出为分开的。

Littrow或自准直配置中使用的光栅将波长为λ的光沿入射光方向衍射回来(图6-4)。在Littrow单色仪中，通过旋转光栅来扫描光谱;这重新定向了光栅法线，因此入射角α和衍射角β发生变化(即使对于所有λ，α=β)。相同的辅助光学器件既可以用作准直器也可以用作成像镜，因为衍射光线会回扫入射光线。通常，入口狭缝和出口狭缝(或图像平面)将沿着平行于凹槽的方向稍微偏移，使得它们不重合;这通常会引入平面外像差。True Littrow单色仪在激光调谐应用中非常流行。

双色和三色单色仪

图6-5 双单色仪结构，显示了两个单色仪之间的中间狭缝。

两个串联使用的单色器结构形成一个双单色器。第一个单色仪的出射狭缝通常用作第二个单色器的入射狭缝(见图6-5)，尽管有些系统的设计没有中间狭缝。带中间狭缝的双单色仪中的杂散光比单单色仪低得多：它大约是每个单色仪的杂散光强度与母线强度之比的乘积。

双单色仪可以被设计为具有相加色散或相减色散。

在加性色散的情况下，整个系统的倒数线性色散是每个单色器倒数线性色散的总和：即，被第一单色器散射的光谱在通过第二单色器时进一步散射。

在相减色散的情况下，整个系统被设计为使得在第二单色仪的出射狭缝处的光谱色散基本上为零。减法色散单色仪的特性是，离开其出射狭缝的光在光谱上是均匀的：所有波长的均匀组合都透射通过中间狭缝，而不是像在单单色仪和加法色散双单色仪中看到的那样，具有连续变化波长的光谱。这种仪器已被用于拉曼光谱系统(其中可以观察到非常接近激发激光波长的光谱特征)以及荧光和发光激发。

三单色仪结构由三个串联单色仪组成。当减少仪器杂散光的要求非常苛刻时，使用这些结构。

恒定扫描单色仪

绝大多数单色仪结构都是恒定偏差的：光栅旋转，使不同波长的光在(静止的)出射狭缝处聚焦。这种结构的实际优点是需要一个单独的旋转台，不需要其他移动部件，但它的缺点是只在一个波长下“闪耀”——在其他波长下，入射角和衍射角不满足闪耀条件：

mλ = d(sinα + sinβ) = 2dsinθB

其中θB是刻面角。

可以考虑的另一种设计是恒定扫描单色仪，之所以这么称，是因为在光栅方程中：

mλ=2d cosK sinΦ

保持固定的是扫描角度Φ而不是半偏转角K。在这种结构中，当扫描波长时，入口和出口臂的平分线必须与光栅法线保持恒定角度;两臂之间的角度2K(λ) = α(λ) - β(λ)必须扩展和收缩才能改变波长。

审核编辑 黄宇