闪耀光栅

闪耀光栅

闪耀光栅

blazed grating

当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀（blaze），这种光栅称为闪耀光栅。

在这样刻成的闪耀光栅中，起衍射作用的槽面是个光滑的平面，它与光栅的表面一夹角，称为闪耀角（blaze angle）。最大光强度所对应的波长，称为闪耀波长（bl aze wavelength）。

通过闪耀角的设计，可以使光栅适用于某一特定波段的某一级光谱。

闪耀光栅的优点

透射光栅有很大的缺点，主要是衍射图样中没有色散的零级主最大总是占总光能的很大一部分，其余光能分散在各级光谱中，而实际使用光栅时往往只利用它的某一级。这对光栅的应用是很不利的。

闪耀光栅则实现了单缝衍射中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上。

CD光盘可以看作粗制的闪耀光栅。

第一章光学分析法引论-1.3 光谱法仪器

背景知识

三、光谱仪器

组成：光源，单色器，样品容器，检测器(光电转换器、电子读出、数据处理及记录)。

? 光源

对光源的要求：强度大(分析灵敏度高)、稳定(分析重现性好)。

*Laser=light amplification by stimulated emission of radiation

2. 分光系统( monochromator, wavelength selector )

定义：将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一”波长的“单色光”的器件。

理想的100% 的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯度”的单色光，即该“单色光具有一定的宽度(有效带宽)。有效带宽越小，分析的灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。

构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。

1 )棱镜( Prism )：

棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。

棱镜特性

色散率：

角色散率 d θ /d λ，表示偏向角的θ对波长的变化。在最小偏向角时(折射线平行于棱镜底边)，可以导出：

可见角色散率与折射率n 及棱镜顶角有关。

因此，增加角色散率 d θ /d λ的方式有三：

1. 改变棱镜材料，玻璃比石英的折射率大，但玻璃只适于可见光区；

2. 增加棱镜顶角，多选600 ；

3. 增加棱镜数目，但由于设计及结构上的困难，最多用2 个。

线色散率dl/dλ或倒线色散率dλ/dl ：它表示两条谱线在焦面上被分开的距离对波长的变化率：

可见线色散率除与角色散率有关外，还与会聚透镜焦距 f 及焦面和光轴间夹角β有关。

因此，增加透镜焦距、减小焦面与光轴夹角棱镜色散能力提高。

分辨率R ：指将两条靠得很近的谱线分开的能力( Rayleigh 准则)，可表示为

其中，m--- 棱镜个数； b 底边有效长度( cm )

可见，分辨率随波长变化而变化，在短波部分分辨率较大，即棱镜分光具有“非匀排性”，色谱的光谱为“非匀排光谱”。这是棱镜分光最大的不足。

难点解析

2 )光栅

制作：以特殊的工具(如钻石)，在硬质、磨光的光学平面上刻出大量紧密而平行的刻槽。以此为母板，可用液态树脂在其上复制出光栅。制作的光栅有平面透射光栅、平面反射光栅及凹面反射光栅。刻制质量不高的光栅易产生散射线及鬼线( Ghost lines )。

通常的刻线数为300-2000 刻槽/mm 。最常用的是1200-1400 刻槽/mm (紫外可见)及100-200 刻槽/mm (红外)。

平面透射光栅：

入射光为单色光，那么

1. 当入射线垂直于光栅时，α =0 ，n λ = d sin θ

2. 当入射线不垂直于光栅时，n λ = d ( sin α + sin θ)

3. 在零级光谱有最大的光强！

入射光为复合光，那么

1. 0 级光P0处是未经色散的白光；

2. 其它波长的光因波长不同，产生的一级光谱位置不同：波长小的则衍射角θ小，谱线靠近0 级；波长大的，衍射角θ大，谱线距0 级较远；

3. 同样对于二级光谱而言，也有同样的情况。但可能造成二级光谱与一级光谱的重叠，而且具有最大强度的光处于0 级(为未分开的白光)！

平面反射光栅(闪耀光栅，小阶梯光栅)：

将平行的狭缝刻制成具有相同形状的刻槽(多为三角形)，此时，入射线的小反射面与夹角β一定，此时反射线集中于一个方向，从而使光能集中于所需要的一级光谱上。此种光栅又称闪耀光栅。当α=θ =β时，在衍射角θ方向可获得最大的光强，β也称为闪耀角。

如下图所示。

由于∠CAB= α，∠DAB= θ，因此，CB=d sin α , BD=d sin θ

显然，衍射光束 2 的运行距离比衍射光束 1 长(CB+BD)

当(CB+BD)是入射波长的整数倍，即当(CB+BD) = n λ时，两衍射光束发生叠加，并产生明线。

因此可得光栅方程：

2 光栅特性

角色散率 d θ /d λ：

线色散率dl/d θ：

从上式中可见，色散率近似与衍射角无关，或者说，在同一级光谱上，各谱线是均匀排列的！可通过增加 f 值和减小 d 值来提高色散率。

分辨率R ：

N —光栅总刻线数(条)；W —光栅被照亮的宽度( mm )； d —光栅常数(mm)

凹面光栅( concave grating )

在半径为r 的半球内侧刻划一系列平行刻槽而制成的光栅，多用于光电直读光谱仪。由于此类光栅除具有分光作用外，也具有聚焦作用，因此分光系统中不需要会聚透镜等光学部件: 光能损失小, 节省费用。

凹面光栅线色散率可用下式表示：

中阶梯光栅( echelle grating )

1949 年，由G. R.Harrison 提出的一种特殊光栅，它与平面闪耀光栅相似。

与平面反射光栅的结构区别：

1. 阶梯宽度(宽边, t )大于高度(短边，s )或者说，t/s>1 ；

2. 使用刻槽的短边，而不是长边，因而入射角大；

3. 刻槽数量少或者说光栅常数d 很大，通常为300 条/mm 。

中阶梯光栅的性能

线色散率：

分辨率：R= λ / Δλ =2Nd(sin β )/ λ

在提高色散率和分辨率的方式上，中阶梯光栅与相同大小的闪耀光栅不同：

光谱级次n 非常大，光谱重叠严重，因此需要增加一个光面垂直于中阶梯光栅的棱镜或光栅来克服这一问题。

小阶梯光栅与中阶梯光栅的性能比较

3)狭缝( Slit )

构成：狭缝是两片经过精密加工、具有锐利边缘的金属组成。两片金属处于相同平面上且相互平行。入射狭缝可看作是一个光源，在相应波长位置，入射狭缝的像刚好充满整个出射狭缝。

有效带宽：整个单色器的分辨能力除与分光元件的色散率有关外，还与狭缝宽度有关。即单色器的分辨能力(有效带宽S )应由下式决定：

D=倒线色散率；W=狭缝宽度。当单色仪的色散率固定时，波长间隔将随狭缝宽度变化。

狭缝宽度的选择原则

定性分析：选择较窄的狭缝宽度—提高分辨率，减少其它谱线的干扰，提高选择性；

定量分析：选择较宽的狭缝宽度—增加照亮狭缝的亮度，提高分析的灵敏度；

应根据样品性质和分析要求确定狭缝宽度。并通过条件优化确定最佳狭缝宽度。

与发射光谱分析相比，原子吸收光谱因谱线数少，可采用较宽的狭缝。但当背景大时，可适当减小缝宽。

参考资料

4 )光谱仪几种典型的光学系统

集光本领( Light-gathering power of monochromator )

为提高光谱仪的信噪比，必须使得达检测器的光能量足够强。常以集光本领来反映：

其中， F 为准直镜的焦距；d 为其直径。

可见，集光本领与 f 数平方成反比，但与狭缝宽度无关。较短焦距、较长直径的准直镜使色散率降低，但可获得更大的集光本领。

3. 吸收池( Sample container ，Cell ，Cuvette )

除发射光谱外，其它所有光谱分析都需要吸收池。盛放试样的吸收池由光透明材料制成。

石英或熔融石英：紫外光区—可见光区—3 μm ；

玻璃：可见光区( 350-2000nm )；

透明塑料：可见光区( 350-2000nm )；

盐窗( NaCl, NaBr 晶体)：红外光区。

4. 光电转换器( Transducer )

A )定义：光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件。

S = k P + k d= k P

K：校正灵敏度；P：辐射功率；k d：暗电流(可通过线路补偿，使为0 ) B )理想的光电转换器要求：

灵敏度高；

S/N 大；

暗电流小；

响应快且在宽的波段内响应恒定。

C )光电转换器种类及应用波段

硒光电池

优点：光电流直接正比于辐射能；

使用方便、便于携带(耐用、成本低)；

缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。

只在高强度辐射区较灵敏；

长时间使用后，有“疲劳” (fatigue) 现象。

真空光电管

阴极表面可涂渍不同光敏物质：高灵敏(K,Cs,Sb 其中二者) 、红光敏(Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs) 、紫外光敏、平坦响应(Ga/As ，响应受波长影响小) 。产生的光电流约为硒光电池的1/10 。

优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。

缺点：有微小暗电流( Dark current ，40 K 的放射线激发)。

光电倍增管( photomultiplier tube, PMT )

优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。

缺点：热发射强，因此暗电流大，需冷却( -30oC )。不得置于强光( 如日光) 下，否则可永久损坏PMT ！

硅二极管

反向偏值—耗尽层(depletion layer) — pn 结电导趋于0 (i=0) ；

光照—耗尽层中形成空穴和电子—空穴移向p 区并湮灭—外加电压对pn “电容器”充电—产生充电电流信号(I ≠ 0) 。

特点：灵敏度介于真空管和倍增管之间。

光电二极管阵列，PDA

说明：

i. 在一个硅片上，许多pn 结以一维线性排列，构成“阵列”；

ii. 每个pn 结或元( element ，64-4096 个)相当于一个硅二极管检测器；

iii. 硅片上布有集成线路，使每个pn 结相当于一个独立的光电转换器；

iv. 硅片上置于分光器焦面上，经色散的不同波长的光分别被转换形成电信号；

v. 实现多波长或多目标同时( simultaneously )检测。

PDA 在灵敏度、线性范围和S/N 方面不如光电倍增管。应用较少。电荷转移器件, CTD

CID

CCD

CID 与CCD 之比较

与PDA 相比，CTD 最大的优势在于其二维特性，可作为影像检测器，在电视及航空等领域有广泛应用。

热检测器

包括：热电偶，热辐射计及热释电检测器。

这类检测器主要用于红外及Raman 光谱分析中，拟在以后相关章节作介绍。