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光柵光譜儀及棱鏡光譜儀的各種專(zhuān)業(yè)本領(lǐng)
1 概述
對于近代光學(xué)及現代光學(xué)的發(fā)展，精密的分光元件是必不可少的，尤其是光柵光譜儀及棱鏡光譜儀。因其特有的本領(lǐng)在分析儀器的工作中作用越來(lái)越明顯。分光元件的性能主要體現在：一是色散本領(lǐng);二是色分辨本領(lǐng)。兩者都是要說(shuō)明很終能夠被儀器(包括接收器)所分辨的很小波長(cháng)間隔 有多少。但目前的大多數《光學(xué)》教材 [1-4]對于分光元件的色散本領(lǐng)及色分辨本領(lǐng)都是總體的概述，并沒(méi)有單獨闡述光柵光譜儀及棱鏡光譜儀的分光原理及分辨本領(lǐng)。英文教材[5-6]對分光元件的分光原理論述較為詳細，但也都是分開(kāi)論述的，并未將兩者有機的統一起來(lái)。本文深入的論述了光柵光譜儀及棱鏡光譜儀的色散本領(lǐng)和色分辨本領(lǐng)，加深了學(xué)生對兩者的理解，并能較深入地掌握分光元件的分光原理及分辨本領(lǐng)。
2 光柵光譜儀的色散本領(lǐng)與色分辨本領(lǐng)
色散本領(lǐng)及色分辨本領(lǐng)是光柵光譜儀性能的兩個(gè)重要指標，下面將一一闡述。
2.1 色散本領(lǐng)。實(shí)際中經(jīng)常遇到：對于一定波長(cháng)差δλ的兩條譜線(xiàn)，其角間隔δθτ或在幕上的距離δτ有多大，這就是儀器的色散本領(lǐng)問(wèn)題。角色散本領(lǐng)定義為：
線(xiàn)色散本領(lǐng)定義為：
設光柵的后聚焦物鏡的焦距為f，則δτ=fδθ，所以線(xiàn)色散與角色散之間的關(guān)系為：D1=fDθ (3)
由光柵方程sdinθk=kλ得cosθkδθ=kδλd，于是得光柵的角色散本領(lǐng)
和線(xiàn)色散本領(lǐng)
上面結果表明，光柵的角色散本領(lǐng)與光柵常數d成反比，與譜線(xiàn)級數k成正比。此外，線(xiàn)色散本領(lǐng)還與透鏡的焦距成正比。但色散本領(lǐng)與光柵中衍射單元的總數N無(wú)關(guān)。
2.2 色分辨本領(lǐng)。由于色散本領(lǐng)只反映譜線(xiàn)中心分離的程度，它不能說(shuō)明兩條譜線(xiàn)是否重疊，所以只有色散本領(lǐng)是不夠的，要分辨波長(cháng)很接近的譜線(xiàn)，仍需每條譜線(xiàn)都很細。如圖1所示，在a、b、c三種情形里的色散本領(lǐng)都一樣，即波長(cháng)分別為λ和λ'=λ+δλ的兩條譜線(xiàn)的角間隔 一樣，但每條譜線(xiàn)的半角寬度△θ不同。在圖a中△θ>δθ，兩條譜線(xiàn)的合成強度如粗黑線(xiàn)所示，看起來(lái)和一條粗譜線(xiàn)一樣，因此無(wú)法分辨它們本來(lái)有兩條譜線(xiàn)。在圖c中△θ<δθ，合成的強度在中間有個(gè)很明顯的小。我們可以分辨出這是兩條譜線(xiàn)�！叭鹄袚笨梢源_定能分辨的很小角間隔應該等于譜線(xiàn)的半角寬度。
對于每個(gè)光柵，譜線(xiàn)的半角寬度△θ是一定的，即△θ=λNdcosθ
根據瑞利判據，這也就是能夠分辨的兩條譜線(xiàn)的色散角δθ，由此可以推斷出能夠分辨的很小波長(cháng)差δλ=δθDθ=△
由此求得光柵的色分辨本領(lǐng)公式
上式表明，光柵的色分辨本領(lǐng)正比于衍射單元總數N和光譜的級別k，與光柵常數d無(wú)關(guān)。另外，角色散本領(lǐng)、線(xiàn)色散本領(lǐng)以及角分辨本領(lǐng)三者是光譜儀器三個(gè)獨立的性能指標，各有各的作用，彼此不能替代，而應當互相匹配得當。
3 棱鏡光譜儀的色散本領(lǐng)與色分辨本領(lǐng)
很后得到棱鏡的色散本領(lǐng)公式為：
D=2sina21-n2sin2a2dndλ(8)
其中dn/dλ成為色散率，它由棱鏡材料的性質(zhì)決定。由于角色散本領(lǐng)D正比于色散率，所以光譜儀中的棱鏡常用色散率盡可能大的玻璃制成。
式中b是棱鏡底邊長(cháng)度，a是光束的寬度(見(jiàn)圖3)，式中dn/dλ為棱鏡的色散率。
棱鏡對光束的限制作用相當于矩孔，它產(chǎn)生矩孔衍射，色分辨本領(lǐng)問(wèn)題由此引起。我們關(guān)心的是沿x方向的衍射。寬度為a的光束的衍射半角寬度為△θ=λ/a。另一方面因波長(cháng)差δλ引起譜線(xiàn)的角色散為δθ=Dδλ。按照瑞利判據，令△θ=δθ，便可以導出棱鏡的色分辨本領(lǐng)為
其中δλ是棱鏡在波長(cháng)λ附近可能分辨的很小波長(cháng)差。
圖4多個(gè)小棱鏡聯(lián)合以增大棱鏡底邊的有效長(cháng)度 圖5一臺典型的棱鏡攝譜儀光路結構
(9)式、(10)式、(11)式告訴我們，棱鏡頂角λ愈大，或b/a愈大，則棱鏡色散本領(lǐng)愈大;棱鏡的底邊a愈長(cháng)，則棱鏡的色分辨本領(lǐng)愈強。為避免制作大塊均勻光學(xué)玻璃的困難，可采用多個(gè)小棱鏡聯(lián)合工作，以增大底邊的有效長(cháng)度(見(jiàn)圖4)。也可在棱鏡的一個(gè)側面鍍上反射膜，使入射光束在棱鏡內往返兩側，以提高色散本領(lǐng)(見(jiàn)圖5)。
4 結論
4.1 光柵光譜儀可以分出很多套光譜，而棱鏡光譜儀只能分出一套光譜。
4.2 光柵光譜儀的色散本領(lǐng)正比于光譜的級次，反比于光柵常數;棱鏡光譜儀的色散本領(lǐng)正比于棱鏡的色散率及底邊長(cháng)度，且與入射光束的寬度有關(guān)。
4.3 光柵光譜儀的色分辨本領(lǐng)正比于光譜的級次及光柵的總縫數;棱鏡光譜儀的色分辨本領(lǐng)正比于棱鏡的色散率及棱鏡的底邊長(cháng)度。www.tadawen.com.cn
