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1、第38卷第5期光子学报Vol.38No.52009年5月ACTAPHOTONICASINICAMay2009*光栅光谱仪分辨率及波长范围计算公式的研究王兴权,冯克成,朱国贤,王晓茜(长春理工大学理学院,长春130022)摘要:对水平对称式EbertFastie型光谱仪的参量及性能进行了分析研究.基于水平对称式EbertFastie型光谱仪工作时的光路图,用几何方法推导出了入射光线与衍射光线的夹角、入射角、衍射角、可测光谱级次及波长适用范围的计算公式,该公式可通过简单编程计算结果.基于
2、理论分辨率计算公式,并考虑到狭缝宽度导致实际分辨率低于理论分辨率,推导出了分辨率与狭缝宽度等结构参量之间关系的计算公式,对该公式求导得出提高分辨率的方法,并举例计算得出考虑狭缝宽度后的实际分辨率为理论分辨率的83%.关键词:光学技术与仪器;光栅光谱仪;推导;波长;分辨率中图分类号:TH744.1文献标识码:A文章编号:10044213(2009)05116740引言之间关系的计算公式.并对光谱仪的性能参量进行了分析研究.为光谱仪的研究和设计提供了新的计光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的算方
3、法.装置.它的基本作用是测定被研究的光(所研究的物1EbertFastie型光谱仪的工作原理质发射的、吸收的、散射的或受激发射的荧光等)的光谱组成,包括它的波长、强度、与轮廓等,具有分析[1]光谱仪结构如图1,G为光栅,起色散作用,准确度高、测量范围大、速度快和样品用量少等优M为反射镜,起准直和成像作用,S1为入射狭缝,S2点.因此,广泛用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、为出射狭缝.由狭缝S1处发出的光经反射镜准直入环境保护等部门,也是军事侦察、宇宙探索、资源和射到光栅上,经光栅衍射后,不同波长的光由反射镜[1
4、9]水文勘测所必不可少的仪器.M成像在狭缝S2上不同的点,由置于狭缝S2处的1958年我国研制了第一台光谱仪器.近几十年探测器接收.来,在激光技术、电子技术、信息处理技术、计算机技术以及新型光电子元件的推动下,光谱仪器有了很大发展.特别是应用了微处理技术,使光谱仪器向高准确度、高分辨率、高效益、多功能、自动检测和人工智能化方向发展.同时,激光光谱仪、调制光谱仪、光谱色谱技术、光谱声谱技术也有相当大的进展,使该技术领域具有广阔的发展前景.目前已经生产多种型号的摄谱仪、紫外可见分光光度计、红外分图1水平对称式Ebe
5、rtFastie系统光光度计、原子吸收分光光度计、双波长分光光度Fig.1LevelsymmetricEbertFastiesystem[13]计、激光喇曼分光光度计等.设计EbertFastie型光谱仪时,准直和成像系光谱仪相关文献中大多有涉及分辨率的分统一般采用球面反射镜,且r=2f,即球面反射镜[212]析,但是大部分侧重于某一因素或某几个因素半径为其焦距的二倍.若采用抛物镜,则虽然无球差对分辨率的影响,对分辨率的分析主要是定性分析,但彗差很大.在光谱仪器中,m=b/2f是表征孔径且文献中并无光栅光谱
6、仪分辨率及可测波长范围与光阑(衍射光栅)中心与反射镜曲率中心之间距离的各结构参量之间关系的计算公式.本文推导出入射系数,其中b为孔径光阑中心到反射镜曲率中心的光线与衍射光线的夹角、入射角、衍射角及可测波长距离.当光阑放在球面镜曲率中心C上时m=0,此范围的计算公式,及分辨率与狭缝宽度等结构参量时消除了彗差.然而色散元件一般是放在离准直物*镜0.8~1.2f的地方,这时m!0.6~0.5,所以单国家自然科学基金(10274080)资助[1]Tel:0431-85582573Email:wangxingquan813@1
7、63.个球面镜不能完全消彗差.com收稿日期:2008-01-021168光子学报38卷联立式(1)~(4)及(7)可解出值,再由式(5)可解2光栅光谱仪参量分析和波长适用范出∀的值.围的推导代入=2(∀+)即可求出夹角.由色散公式2.1入射光与衍射光角度及可测量波长范围的计算d(sini+sin)=k#(8)光路如图2,i为入射角,为衍射角,为光栅及=i-可解出入射角i和衍射角,式中d为光上的入射光线与衍射光线的夹角,狭缝S1和S2均栅常量.##对称置于反射镜的焦平面上.取m=0.5,即光栅
8、离入射角i的取值范围为-(90-)~90;##反射镜曲率中心的距离为b=f.且取h=g/2.衍射角的取值范围为-90~(90-).##当i=90,=90-时,若取光谱级次为k=1,则可求出可测波长的最大值为#max=d(sini+sin)=d(1+cos)(9)由于小于185nm的波长会被大气吸收.若装置为非真空,则
