光谱学基础教程

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1、TheOpticsofSpectroscopy光谱学基础教程TheOpticsofSpectroscopyATutorialbyJ.M.LernerandA.Thevenon第1章衍射光栅：刻划型和全息型1.1基础公式1.2角色散1.3线色散1.4波长和衍射阶次1.5分辨“能力”1.6闪耀光栅1.6.1Littrow条件1.6.2效率曲线1.6.3效率和阶次1.7衍射光栅和杂散光1.7.1散射光1.7.2鬼线1.8光栅的选择1.8.1什么时候选择全息光栅1.8.2什么时候选择刻线光栅第2章：单色仪和摄谱仪2.1基本组成2.2FastieEbert型配置2.3CzernyT

2、urner型配置2.4CzernyTurner/FastieEbert型的PGS差2.4.1像差校正平面光栅2.5凹面像差校正全息光栅2.6单色仪配置中计算α和β2.7单色仪的光学部分2.8光开口阻挡和入口、出口“瞳孔”2.9孔径比(f值,f数)和数值孔径2.9.1透镜系统的f数2.9.2光谱仪的F数2.9.3放大率和光通量密度2.10出口狭缝宽度和扭曲失真2.11狭缝高度的放大倍数2.12光谱带宽和分辨率2.12.1狭缝(P1(λ))的影响2.12.2衍射效应(P2(λ))的影响2.12.3成像偏差(P3(λ))的影响2.12.4计算仪器线形的半高全宽(FWHM)2.1

3、2.5像宽和阵列探测器2.12.6讨论2.13阶次和分辨率2.14色散和最大波长2.15阶次和色散值2.16如何选择单色仪和摄谱仪第3章：光谱仪的光通量和光展量3.1定义3.1.1光展量介绍3.2系统的相对光通量3.2.1光展量的计算3.3进入光谱仪的光流量3.4采用小直径光纤光源时整套系统的优化实例3.5采用宽光源时整套系统的优化实例3.6光通量和带宽随狭缝宽度的变化3.6.1连续光谱光源3.6.2离散光谱光源第4章：光学信噪比和杂散光4.1随机杂散光4.1.1光谱仪的光学信噪比4.1.2信号的量化，Φu4.1.3杂散光的量化Φd和信噪比Φu/Φd4.1.4信噪比的优化

4、4.1.5信噪比优化实例4.2直接杂散光4.2.1光谱仪的错误收集方式4.2.2二次进入光谱4.2.3光栅鬼线4.3信噪比和狭缝尺寸4.3.1单级单色仪和连续谱光源4.3.2单级单色仪和单色光光源4.3.3双级单色仪和连续谱光源4.3.4双级单色仪和单色光光源第5章：波长与阵列探测器上像素位置的关系5.1确定焦平面上给定位置对应的波长5.1.1分析与结论5.1.2确定一个已知波长在焦平面上的位置第6章：入口光学6.1入口光学的选择6.1.1基础公式的回顾6.2建立单色仪系统的光轴6.2.1所需物品6.2.2步骤6.3光信号进入光谱仪6.4入口光学实例6.4.1与小光源匹配

5、的光学开口6.4.2与宽光源匹配的光纤开口6.4.3光源的缩小成像6.5场透镜的使用6.6针孔相机效应6.7空间滤镜附录致谢参考文献第1章衍射光栅：刻划型和全息型衍射光栅由下列两种方法制成：一种是用带钻石刀头的刻划机刻出沟槽的经典方法，另一种是用两束激光形成干涉条纹的全息方法。(更多信息详见DiffractionGratingsRuled&HolographicHandbook).经典刻划方法制成的光栅可以是平面的或者是凹面的，每道沟槽互相平行。全息光栅的沟槽可以是均匀平行的或者为优化性能而特别设计的不均匀分布。全息光栅可在平面、球面、超环面以及很多其他类型表面生成。本书

6、提到的规律、方法等对各类不同表面形状的经典刻划光栅和全息光栅均适用，如需区分，本书会特别给出解释。1.1基础公式在介绍基础公式前，有必要简要说明单色光和连续谱。提示：单色光其光谱宽度无限窄。常见良好的单色光源包括单模激光器和超低压低温光谱校正灯。这些即为大家所熟知的“线光源”或者“离散线光源”。提示：连续谱光谱宽度有限，如“白光”。理论上连续谱应包括所有的波长，但是实际中它往往是全光谱的一段。有时候一段连续谱可能仅仅是几条线宽为1nm的谱线组成的线状谱。本书中的公式适用于空气中的情况，即m0=1。因此，l=l0=空气中的波长。定义单位α-(alpha)入射角度β-(bet

7、a)衍射角度k-衍射阶数整数n-刻线密度刻线数每毫米D分离角度V-µ折射率无单位0-λ-真空波长纳米λ折射率为µ介质中的波长0-0其中λ0=λ/µ01nm=10-6mm;1mm=10-3mm;1A=10-7mm最基础的光栅方程如下：(1-1)在大多数单色仪中，入口狭缝和出口狭缝位置固定，光栅绕其中心旋转。因此，分离角DV成为常数，由下式决定，(1-2)对于一个给定的波长l，如需求得a和b，光栅方程(1-1)可改写为：(1-3)假定DV值已知，则a和b可通过式(1-2)、(1-3)求出，参看图1.1、1.2和第2.6节。图1.1