Transcript 光谱仪器
§4 光谱仪器分类和基本性能 4.1 光谱仪器分类 4.2 色散光谱仪的基本性能参数 1．色散本领 线色散： Dl= d l / dλ= Dθ f 角色散：Dθ= dθ / dλ 1 2 dθ 1 i2’ θ2 θ1 Dl di’ i1’ 2 Dθ—表示波长差为单位波长的两同级主极大分开的角距离。 2．色分辨本领 d + 色分辨本领：A = λ / λmin A表征仪器对不同波长谱线的分辨能力。 λmin: 在λ附近, 可分辨的最小波长差 3．自由光谱区 定义：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. 越级重叠时（m+1)λ= m (λ +Δλ） =0 据定义有： Δλ = λ / m λ: 入射波长的下限， λ: 不产生越级重叠的最大入射波长范围 §5 棱镜、光栅和F-P干涉仪的分光性能 光源（自配） 5．1 棱镜光谱仪 狭缝 棱镜暗盒 准直系统 成像调焦机构 CCD光强分布测量仪 成像系统 棱镜台旋转调节机构 反光镜旋转调节手轮 看谱窗 5．2 光栅光谱仪 5．2 光栅光谱仪 光栅光谱仪的性能参数，从不同角度表征了一 个光栅的分光能力。 1．色散本领 色散：复色光经光栅后，不同波长的同 一级谱线出现 在不同 的方位上。 色散本领：表征光栅将不同波长的同级 主极大在 空间分开的程度。 角色散：Dθ= dθ / dλ Dθ—表示波长差为单位波长的 两同级主极大分开的角距离 线色散： Dl= d l / dλ Dl —表示波长差为单位波长的两同 级主极大在接收屏上的线距离。 1 2 dθ 1 i2’ θ2 θ1 Dl di’ i1’ 2 角色散： Dθ= d θ / dλ = m / d cos θ 可见：当θ较小时，（cos θm≈1） 1）Dθ主要由d，m决定，与N无关。 2）d θ / dλ = m/ d ，θ～λ线性变化 光谱为匀排光谱。 3）m = 0时无色散，m↑→ Dθ↑。 4）d↓→ Dθ↑。（d一般10-2～10-3mm） 线色散：当 θ 较小时的线色散 Dl = d l / dλ ≈ f ’ Dθ = m f ’/dcos θm 1 2 dθ θ2 θ1 Dl 2．色分辨本领 可分辨 < d 瑞利判据： =d 恰可分辨 + d > d 其中： d：λ1，λ2两同级谱线的角距离 ：谱线的半角宽度 不可分辨 d 当d = 时有对应的 λmin 求 A= λ / λ min 的表达式 Δθ λ d cosθ Δ λ min Dθ Nd cosθ m m 所以有： A= λ / λmin = mN = Ndsin θ/ λ 讨论： A= λ / λ=mN=Ndsin θ/ λ ∵ m↑→ Dθ ↑，两谱线中心分得越开 N↑→ ↓，谱线越细锐。 ∴ m↑，N↑→A↑。 问题： 1．是否可无限增大m，而得到大A呢？ 受单缝衍射限制，受自由光谱区限制. 2．有效光栅缝数问题。 例：若光栅 1200/mm 光栅长 L=5cm 则 N=6×104 m=1 时 A= 6×104 若取 则 λ = 600nm λ = 0．01nm 3．自由光谱区 —— 不产生越级重叠的最大入射波长范围 据定义有（m+1)λ=m（λ +Δλ） Δλ = λ / m = λ2/ dsinθ 其中：为入射波长的下限。 5. 3 法布里-珀罗干涉仪 1．色散本领 2nhcos = m ---第m级亮环对透镜中心的张角. 2nhcos 1 = m1 2nhcos 2 = m 2 Dθ= dθ / dλ 1 2 d 1 2 求D 的表达式 由 2nhcos =m 有 - 2nhsin d =md d m 1 D d 2nh sin tg 讨论: dθ m 1 Dθ dλ 2nh sinθ λ tgθ （1） “-”号表示d↑→ d ↓。 （2）D∝1/tg ， ↓→ tg ↓→m↑→ D↑。 圆环中心 ≈0，D →∞。 （3）D ∝1/ ， ↓ → D↑。 同级条纹短波段比长波段的光角色散大 例5：设计一个平面透射光栅。当用白光垂直 照 射 时 ， 能 在 300 衍 射 角 方 向 上 观 察 到 600nm 的 第 二 级 谱 线 ， 并 能 在 该 处 分 辨 Δλ=0.005nm的两条谱线，可是在300衍射角 方向上却测不到400nm的第三级谱线。 解：设光栅透光部分宽度为a，不透光部 分宽度为b，总刻线宽度为H。 ①确定 a=？，b=？。 已知： 对λ=600nm的光波 Δ=（ a+b ）sin30o=2× 600nm （ a+b ）=2400nm 对λ=400nm的光波 Δ=（ a+b ）sin30o=3× 400nm（缺级） a sin30o =n×400nm （ d/a=3/n） ∵（ a+b ）= 2400nm； d/a=3/n n=1 a=800nm， b =1600nm； n=2 a=1600nm，b =800nm； ∴取a=800nm，b=1600nm，d=2400nm ② 确定H=Nd=？ 据条件 λ=600nm, m=2时, Δλ=0.005nm 要求：A= λ/ λ=1.2×105 则 A=mN=2×H/d=1.2×105 ∴有 H≥144mm，取H=150mm。 例6： 平面透射光栅，不透光部分为透光 部分的两倍 ，光栅每厘米长度内刻线 250条，光栅长为4cm。包含有两种波长 的 光 垂 直 入 射 到 光 栅 上 (λ1=600nm ， λ2=600.5nm)，用焦距为1m的透镜将衍 射光聚焦在屏上。求：在的单缝衍射中 央极大区内将出现几条干涉条纹？ 解：已知 b =2a，则 d=a+b=3a ∵两种光波入射,∴屏上出现两组衍射条纹. I/I0 λ1/d λ2/d -2 级 -1级 0 1级 2级 ·· sinθ λ1/a λ2/a 据缺级条件:m=m’d/a=3m’ 即:干涉主极大的±3,±6,±9…级缺级。 ※ 对λ1 、λ2两光波均如此。 在λ1 的中央主极大内： 对λ1有（2m-1）= 5条谱线 对λ2有（2m-1）= 5条谱线 屏上可看出多少条谱线？ 考虑光栅的分辨本领 光栅的分辨本领 A= mN ∵ N=4×250=1000， ∴ A=1000m 要求 A= λ/λ = 600/0.5 =1200 对 m=0，A=0 （不可分辨） m=1，A=1000 <1200（不可分辨） m=2，A=2000 >1200 （可分辨） ∴中央亮区内出现七条主极强谱线。 1．光栅单色仪的基本构造： 1. 单色仪简介：是一种分光仪器，适用于单色光的产生、 光谱分析和光谱特性测量等。它与分光镜、分光计、摄 谱仪的有一定的区别与联系。 2. 光栅单色仪: 与棱镜单色仪相比,光栅单色仪相对有许多 优点。 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。