光栅光谱仪(光谱仪原理)

1.光谱仪原理

光谱仪spectrometer将复色光分离成光谱的光学仪器。

光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。

按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。

用光源照明狭缝S, S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。

普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。目前普遍使用的反射式光栅光谱仪有较宽的光谱范围。

表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。

/view/69332.htm光栅 光栅：光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。

光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图像，而这条线的位置则由观察角度来决定。如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。

立体效果 根据研究，我们人类的眼睛在观察一个三维物体时，由于两眼水平分开在两个不同的位置上，所观察到的物体图像是不同的，它们之间存在着一个像差，由于这个像差的存在，通过人类的大脑，我们可以感到一个三维世界的深度立体变化，这就是所谓的立体视觉原理。 据立体视觉原理，如果我们能够样我们的左右眼分别看到两幅在不同位置拍摄的图像，我们应该可以从这两幅图像感受到一个立体的三维空间。

从前面的分析中我们可以知道不同的观察角度将可以看到不同的图像。因如果我们将光栅垂直於两眼放置，由于两眼对光栅的观察角度不同，因而两眼会看到两个不同的图像，从而产生立体感。

常为了获得更好的立体效果我不单单以两幅图像制作，而是用一组序列的立体图像去构成，在这样的情况下，根据观察的位置不同，只要同时看到这个序列中的两副图像，即可感受到三维立体效果。 动画\幻变\变画 将光栅平置于两眼之间，注意两眼对光栅的线纹角度要保持平行，因而两眼看到的是同一个图像，如果图像是由一列连续动画所构成，那么当双眼上下移动或把光栅上下翻动时，双眼与光栅的角度将发生变化，我们也将看到一个接一个的连续图像，即看到一个动画或变画的效果。

光栅原理明说明 光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。

它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。

单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱.光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。

一、何谓光栅板 就是指有一面被挤压成圆柱形线条 一面为完整平面的塑胶材料，且圆柱形线条间距相等谓之「 光栅 」 此光栅平面可作为印刷之用途，使用光栅视觉软体合成图档后，使用不同输出设备输出档案，并与光栅贴合或直接印刷在光栅板上，就可以呈现如右图所示的效果，让动画可以直接在平面的印刷上呈现出萤幕所看见的变图效果。 二、窄角度光栅与宽角度光栅 在选择适合的光栅板时，光栅弯曲的角度是非常重要的事，一般来说 3 D 立体效果最理想的光栅是使用窄角度光栅板，它的视角大约在15度 ~ 44度之间的效果是最好的，如果要制作变图或动画的效果，宽角度光栅板的视角约44度~ 65度之间是最适合的光栅板。

三、市面常用之光栅种类与用途 在制作各种光栅视觉效果前，必须要先了解光栅的特性、种类、规格、厚度、尺寸、方向性等，才能仔细判别如何制作出精致的光栅影像效果，就台湾市面上常用之光栅材料做分类，可分为以下几种。 印刷光栅材质：PET、PP、PVC、TPU等，PET、PP为硬质平板环保材质，PVC、TPU为软质材质。

印刷光栅线数：50 LPI、60 LPI、62 LPI、75 LPI、100 LPI。 光栅线数效果：50 LPI------------3D、Flip------------常用材料 60 LPI------------3D、Flip、Zoom、Twist、Animation 62 LPI------------3D、Flip、Zoom、Twist、Animation 75 LPI------------3D、Flip、Zoom、Twist、Animation------------常用材料 100 LPI-----------3D、Flip------------常用材料 光栅 设计图。

2.光栅光谱仪的国内外研制状况是什么

光谱仪基础知识介绍光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。

无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm），自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。

通过电脑控制可精确地改变出射波长。●光栅基础光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。

为更好协助各位使用者选择，在此做一简要介绍。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。

刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。

全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。

刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。◆如何选择光栅选择光栅主要考虑如下因素：1、闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。

如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。2、光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。

3、光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。

为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。◆光栅方程反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。

光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。

如图1所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为α，衍射角为β，衍射级次为m,d为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：Mλ=d(sinα+sinβ)定义φ为入射光线与衍射光线夹角的一半，即φ=（α-β）/2；θ为相对于零级光谱位置的光栅角，即θ=（α+β）/2，得到更方便的光栅方程：mλ=2dcosφsinθ从该光栅方程可看出：对一给定方向β，可以有几个波长与级次m相对应λ满足光栅方程。比如600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。

衍射级次m可正可负。对相同级次的多波长在不同的β分布开。

含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变α，则在α+β不变的方向得到不同的波长。●光栅单色仪重要参数：◆分辨率光栅单色仪的分辨率R是分开两条临近谱线能力的度量，根据罗兰判据为：R=λ/Δλ光栅光谱仪中有实际意义的定义是测量单个谱线的半高宽（FWHM）。

实际上，分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。R∝ M·F/WM-光栅线数 F-谱仪焦距 W-狭缝宽度。

◆色散光栅光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到：沿单色仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即：Δλ/Δχ=dcosβ/mF这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，m为衍射级次。

由方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，变化可能超过2倍。

根据国家标准，在本样本中，用1200l/mm光栅色散的中间值（典型的为435.8nm）时的倒线色散。◆带宽带宽是忽略光学像差、衍射、扫描方法、探测器像素宽度、狭缝高度和照明均匀性等，在给定波长，从光谱仪输出的波长宽度。

它是倒线色散和狭缝宽度的乘积。例如，单色仪狭缝为0.2mm，光栅倒线色散为2.7nm/mm，则带宽为2.7*0.2=0.54nm。

◆波长精度、重复性和准确度波长精度是光谱仪确定波长的刻度等级，单位为nm。通常，波长精度随波长变化。

波长重复性是光谱仪返回原波长的能力。这体现了波长驱动机械和整个仪器的稳定性。

卓立汉光的光谱仪的波长驱动和机械稳定性极佳，其重复性超过了波长精度。波长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。

每台单色仪都要在很多波长检查波长准确度。◆F/#F/#定义为光谱仪准直凹面反射镜的直径与焦距的比值。

光通过效率与F/#的平方成反比，F/#愈小，光通过率愈高。

3.请介绍光谱仪的工作原理和基本功能

通过对材料光谱的测量可以得到其光学性质。

传统的光谱技术包括反射光谱、吸收光谱、发光光谱和喇曼散射光谱， 它们都属于色散型光谱技术。色散型光谱仪测量的是光源经过光栅分光以后的光信号， 给出光强的波长分布。

色散型光谱仪分为紫外、可见光和红外光谱仪。 非色散型光谱仪包括傅立叶变换红外吸收光谱、光导电谱、光声光谱和光热光谱。

它们具有更高的测量灵敏度。 对于光谱功能的认识，可以通过一个例子说明。

比如半导体的吸收光谱。半导体的本征吸收对应价带顶的电子吸收一个光子获得能量从而跨过能隙到导带底 ； 晶格吸收（一般是离子晶体的红外吸收）对应红外光激发相同频率的声子。

还有施主和受主的杂质吸收和激子吸收等等。光的吸收就是在光的作用下由低能级向高能级的量子跃迁。

4.光栅光谱仪 衍射光的角度与哪些物理量有关

光栅光谱仪 衍射光的角度与哪些物理量有关

衍射光栅是一种由密集﹑等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，分反射和透射两大类。

作用：

它利用多缝衍射和干涉作用﹐将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散﹐再经成像镜聚焦而形成光谱。天文仪器中应用较多的是反射光栅﹐它的基底是低膨胀系数的玻璃或熔石英﹐上面镀铝﹐然后把平行线刻在铝膜上。

形成条件

相关公式：d·sinθ= n·λ

其中d为为两狭缝之间的间距，θ为衍射角度，n为光栅级数，λ为波长。

通常所讲的衍射光栅是基于夫琅禾费多缝衍射效应工作的。描述光栅结构与光的入射角和衍射角之间关系的公式叫“光栅方程”。