光谱仪基本知识分解
光谱仪基础知识介绍解析
光谱仪基础知识介绍(卓立汉光)什么是光谱仪？光与物质相互作用引起物质内部原子及分子能级间的电子跃迁，使物质对光的吸收、发射、散射等在波长及强度信息上发生变化，而检测并处理这类变化的仪器被称为光谱仪。
因此，光谱仪的基本功能，就是将复色光在空间上按照不同的波长分离/延展开来，配合各种光电仪器附件得到波长成分及各波长成分的强度等原始信息以供后续处理分析使用。
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。
光谱仪的原理、功能以及分类【详尽版】
光谱仪的原理光谱仪的主要功能以及具体的分类内容来源网络，由SIMM深圳机械展整理更多相关展示，就在深圳机械展！光谱仪器是进行光谱研究和物质结构分析，利用光学色散原理及现代先进电子技术设计的光电仪器，光谱仪的主要功能是什么，在它工作原理的基础上怎么对其进行分类的，本文将详细的为大家介绍。
光谱仪的主要功能它的基本作用是测量被研究光（所研究物质反射、吸收、散射或受激发的荧光等）的光谱特性，包括波长、强度等谱线特征。
因此，光谱仪器应具有以下功能：（1）分光：把被研究光按一定波长或波数的发布规律在一定空间内分开。
（2）感光：将光信号转换成易于测量的电信号，相应测量出各波长光的强度，得到光能量按波长的发布规律。
（3）绘谱线图：把分开的光波及其强度按波长或波数的发布规律记录保存或显示对应光谱图。
要具备上述功能，一般光谱仪器都可分成四部分组成:光源和照明系统，分光系统，探测接收系统和传输存储显示系统。
主要分类根据光谱仪器的工作原理可以分成两大类：一类是基于空间色散和干涉分光的光谱仪；另一类是基于调制原理分光的新型光谱仪。
本设计是一套利用光栅分光的光谱仪，其基本结构如图。
光源和照明系统可以是研究的对象，也可以作为研究的工具照射被研究的物质。
一般来说，在研究物质的发射光谱如气体火焰、交直流电弧以及电火花等激发试样时，光源就是研究的对象；而在研究吸收光谱、拉曼光谱或荧光光谱时，光源则作为照明工具（如汞灯、红外干燥灯、乌灯、氙灯、LED、激光器等等）。
为了尽可能多地会聚光源照射的光强度，并传递给后面的分光系统，就需要设计照明系统。
分光系统是任何光谱仪的核心部分，它一般是由准直系统、色散系统、成像系统三部分组成，作用是将照射来的光在一定空间内按照一定波长规律分开。
如图2-1所示，准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。
光源和照明系统发出的光通过狭缝照射到准直物镜，变成平行光束投射到色散系统上。
光谱仪的使用方法解析
光谱仪的使用方法解析光谱仪是一种常用的光学仪器，用于分析物质的光谱特性。
它能够将可见光或其他电磁波的不同波长分离开来，并将其转化为可观察的光谱图。
在这篇文章中，我们将详细解析光谱仪的使用方法，包括准备工作、操作步骤和数据分析。
1.准备工作：a.确保光谱仪和相关设备都处于正常工作状态，例如光源、检测器等。
b.检查光谱仪的校准情况，确保其能够准确测量不同波长的光。
2.设置光源：a.选择合适的光源，如白炽灯、氘灯或钨灯等。
b.将光源放置在光路上的适当位置，并确保其正确连接到光谱仪。
3.调整光路：a.确保光路通畅，没有任何干扰物，如灰尘或污渍。
b.根据光源的特性和实验需求，调整光路，如使用凹面反射镜或透镜来聚焦或分散光线。
4.选择适当的光谱范围：a.确定所需分析的光谱范围，如可见光、红外光等。
b.根据光谱范围选择合适的光栅或棱镜，并安装在光谱仪上。
5.设置和调整光谱仪参数：a.打开光谱仪的软件或控制面板，并将仪器设置为所需的工作模式。
b.调整光谱仪的参数，如曝光时间、增益、光谱分辨率等，以满足实验要求。
6.进行测量：a.将样品或待测物放置在光谱仪的光路上，并确保样品与光路成直角。
b.观察光谱仪的指示器或软件界面，确认信号的稳定后，开始记录光谱数据。
7.数据分析：a. 将光谱数据导入分析软件，如Excel、Origin等，进行数据处理和图表绘制。
b.分析光谱特征，如峰值、波长位置、光强等，并与已知的光谱进行比较和识别。
8.实验控制和重复测量：a.对光谱仪进行空白测试，以消除不同元件造成的背景信号。
b.根据实验需求，控制光源强度、样品浓度等参数进行重复测量，以提高数据的可靠性和准确性。
总结：。
光谱仪简介介绍
佩戴防护眼镜
光谱仪在工作时会产生较强的光线，为避免对眼睛 造成伤害，应佩戴防护眼镜。
防止电击
光谱仪的电源部分带有高压，为避免触电危 险，在操作过程中不要随意打开仪器外壳。
日常维护保养建议
01
02
03
定期清洁
保持光谱仪的清洁，定期 使用干净的布擦拭仪器外 壳和光学元件，避免灰尘 和污垢影响仪器性能。
作用
光谱仪广泛应用于物理、化学、生物、医学、材料科学、环境监 测等领域，对于研究物质性质、发现新物质、监测环境污染等具 有重要意义。
光谱仪工作原理
光谱产生
光谱仪利用光源发出的光照射样品，样品中的原子 、分子或离子吸收或发射特定波长的光，形成光谱 。
分光系统
光谱仪通过分光系统（如棱镜、光栅等）将光谱按 波长顺序分开，形成光谱图。
精度
指光谱仪测量结果的准确程度 ，包括波长精度和光强精度等 ，精度越高，测量结果越可靠 。
灵敏度
指光谱仪对光信号的敏感程度 ，即能够检测到的最小光强， 灵敏度越高，对弱信号的检测 能力越强。
动态范围
指光谱仪能够同时测量的最大 光强和最小光强之比，动态范 围越大，光谱仪的应用范围越 广。
性能评价方法论述
波长的光强，实现高精度的光谱分析。
宽测量范围
02
光谱仪可覆盖较宽的光谱范围，适用于多种不同波长范围的样
品测量和分析。
快速测量
03
光谱仪采用高速数据处理系统，能够实现快速测量和实时显示
测量结果，提高工作效率。
03
光谱仪性能指标评价方法
性能参数指标解读
01
X射线荧光光谱分析仪基础知识
连续谱和特征谱
莫塞莱定律
阳极靶材不同产生的特征X射线不同。
为常数，均为特性系数随K，L，M，N等谱系而定。
所以通过测定X射线的能量和波长即可获知其为何种元素，识别物质组成。
特征谱线 L壳层 K壳层
Lα2
Lα1
Lβ1
Kβ
K：p→s L：p→s, s→p, d→p,
电磁波谱
X射 线
X射线的产生
X射线管结构
X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。 X射产生的条件: 产生并发射自由电子（加热钨灯丝）。 在真空中迫使自由电子朝一定方向高速运动（加一很高的管电压）。 在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻。
ML K
连续谱和特征谱
X特征谱Kα
当高速电子能量足够大时， 阳极中处于基态的K层电子被击出， 原子系统能量由基态升到K激发态， 高能级电子向K层空位填充时长生K 系辐射。L层电子填充空位时，产生 Kα 系辐射；M层电子填充空位时产 生Kβ辐射。
所以当电压不断提高至超过临界电压时，在某些固定的波长位置，形成远高于连续谱强度的 强度峰——特征峰。
荧光产额
一般而言随原子序数的增加，荧光产额显著上升，对轻元素，荧光产额很低，这也是利用XRF 分析轻元素比较困难的原因。
元素 C
不同元素的K系荧光产额
O
Na
Si
K
Ti
Fe Mo Ag Ba
ωK 0.0025 0.0085 0.024 0.047 0.138 0.219 0.347 0.764 0.83 0.901
因散射构成待测元素的背景，对元素的测定特别是痕量元素的测定带来不利的影响，然而利用散 射线作为内标，则可以校正基体的吸收效应和非均匀效应，因此研究X射线在物质中的散射现象是十 分重要的。
光谱仪基础知识
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Diffraction Gratings Ruled & Holographic Handbook).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 - (beta) 衍射角度k - 衍射阶数整数定义单位n - 刻线密度刻线数每毫米DV- 分离角度µ- 折射率无单位λ - 真空波长纳米λ0 - 折射率为µ0介质中的波长其中λ0 = λ/µ1 nm = 10-6 mm; 1 mm = 10-3 mm; 1 A = 10-7 mm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D V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D V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。
光谱仪基础知识
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Diffraction Gratings Ruled & Holographic Handbook).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 - (beta) 衍射角度k - 衍射阶数整数定义单位n - 刻线密度刻线数每毫米DV- 分离角度µ- 折射率无单位λ - 真空波长纳米λ0 - 折射率为µ介质中的波长其中λ0= λ/µ1 nm = 10-6 mm; 1 mm = 10-3 mm; 1 A = 10-7 mm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D V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D V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。
紫外光谱分析仪基础知识
紫外光谱分析仪基础知识紫外,可见光谱法及相关仪器UV-VIS Spectrometry & Instrument紫外,可见光谱法及相关仪器一(紫外,可见吸收光谱概述二(紫外,可见分光光度计21(紫外,可见分光光度计的主要部件2(紫外,可见分光光度计的分类3(紫外,可见分光光度计的各项指标含义4(紫外,可见分光光度计的校正三(紫外,可见分光光度计的应用四(紫外,可见分光光度计的进展一(紫外,可见吸收光谱概述利用紫外,可见吸收光谱来进行定量分析由来已久，可追溯到古代，公元60年古希腊已经知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量，这一古老的方法由于最初是运用人眼来进行检测，所以又称比色法。
到了16、17世纪，相关分析理论开始蓬勃发展，1852年，比尔(Beer)参考了布给尔(Bouguer)1729年和朗伯(Lambert)在1760年所发表的文章，提出了分光光度的基本定律，即液层厚度相等时，颜色的强度与呈色溶液的浓度成比例，从而奠定了分光光度法的理论基础，这就是著名的朗伯,比尔定律。
1(紫外,可见吸收光谱的形成吸光光度法也称做分光光度法，但是分光光度法的概念有些含糊，分光光度是指仪器的功能，即仪器进行分光并用光度法测定，这类仪器包括了分光光度计与原子吸收光谱仪(AAS)。
吸光光度法的本质是光的吸收，因此称吸光光度法比较合理，当然，称分子吸光光度法是最确切的。
紫外,可见吸收光谱是物质中分子吸收200-800nm光谱区内的光而产生的。
这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级跃迁(原子或分子中的电子，总是处在某一种运动状态之中。
每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。
这些电子由于各种原因(如受光、热、电的激发)而从一个能级转到另一个能级，称为跃迁。
)当这些电子吸收了外来辐射的能量就从一个能量较低的能级跃迁到一个能量较高的能级。
因此，每一跃迁都对应着吸收一定的能量辐射。
具有不同分子结构的各种物质，有对电磁辐射显示选择吸收的特性。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
棱镜可用的材料
Creative ways to construct winning e-mails
|
例子
• λ=400nm t=5cm • 熔融石英 n=1.47，dn/dλ=1100cm-1 • 重燧石玻璃：n=1.81， dn/dλ=4400cm-1
（考虑一等边棱镜，顶角60度，成像透镜焦距f=100mm）
i和θ在法线的同一侧，两 角度符号相同，取正号 i和θ在法线的不同侧，两 角度符号相反，取负号
|
d sin i sin m
m arcsin sin i d
m=0，所有波长不分开，没有色散，零级光谱 m ≠ 0 ，对于一定的光栅常数和同样的入射角，同 一级次不同波长的光在空间向左右两边分开 m>0，正级光谱 m<0，负级光谱 对于给定光栅的最高光谱级次限制：
Creative ways to construct winning e-mails |
光谱仪器设计的基本原则
棱镜非主截面的光谱线弯曲
狭缝的像在焦平面上不是一条直线而是一条弯曲的光 谱线，弯曲的方向朝向短波方向。 原因：非狭缝中心的光线进入棱镜时，不是通过棱镜 的主截面，而是在倾斜截面上折射，此时的色散率和 偏向角都和主截面上的不同。
Creative ways to construct winning e-mails |
• 2、光栅复制 • 母光栅清洁，真空镀油，镀铝，配制环氧树胶，毛坯清 洁，粘接与固化，分离与修正 • 3、全息法制造 • 玻璃毛坯精选和加工；涂光致抗蚀剂；曝光；化学处理； 真空镀膜
Creative ways to construct winning e-mails
|
光栅制造中的缺陷
• 伴线
• 刻线间距的偶然的和局部的误差导致谱线轮廓形状复杂化，在较高 级次的光谱中，靠近谱线会出现微弱的大多不对称的伴线。 • 伴线相对强度较小时，并不影响分辨率，但是影响谱线轮廓的研究 。
m 1
|
• 光谱叠级可以用滤光片和预色散消除。
Creative ways to construct winning e-mails
闪耀光栅
θ
α
n
n'
• 原理：对于闪耀光栅 ，每个刻痕断面都相 当于一个小反射镜， 当衍射光线主要集中 于反射方向上，能量 可以集中在所需要的 某一光谱级次的波段 范围内。
OPTICS
Spectrometer 光谱仪器的基本知识
A Basic Introduction of Spectrometer Instruments
陈和 北京理工大学 光电学院 shinianshao@ Tel：68918398
色散元件之棱镜 Prism
ɑ
i1
θ
i'1 i2 i'2 偏向角θ为：
• 闪耀光栅的几何参数a和ɑ需满足一定条件： • 一、反射方向与需要的衍射方向一致 • 二、光栅零级主极大方向在单缝 的负第一衍射级的极小方向上
m m sin i sin 2sin cos d d ' i
• 最常用的方法： • 增加棱镜数目。
Creative ways to construct winning e-mails |
棱镜的分辨率
ɑ
t
根据角分辨率公式，有：
d 2sin
dn R t （最小偏向角情况） d d
Creative ways to construct winning e-mails
• 则波长λ+dλ的第m级 d
1 d sin m1 m N
• 波长λ的第m级主亮条纹外的一阶极小值满足： • 瑞利判据：m1 'm
R mN d
Creative ways to construct winning e-mails |
sin i sin 2
mmax
Creative ways to construct winning e-mails
2d
|
光栅的角色散率
d sin i sin m d cosdθ md
d m d d cos
• 光栅的角色散率与光栅常数d成反比 • 光栅的角色散率与光谱级数成正比 • 光栅的角色散率与衍射角余弦成反比 • 在靠近法线位置：
• 对称光路方便设计使用。
Creative ways to construct winning e-mails |
棱镜的角色散率
• 根据角色散率定义，在最小偏向角情况下的棱 镜角色散率为： 2sin d dn 2 d 2 2 d
1 n sin 2
• 增加角色散率的方法：
• 1 减小入射角（杂散光影响） • 2 增大折射顶角（全反射限制） • 3 增大材料色散（材料和价格限制）
光栅光谱的叠级和自由光谱范围
d sin i sin m
• 等式左边不变，右边可以是不同级次的不同波长，即
m11 m22 m33
• 这种现象称为光谱的叠级。 • 一个光谱级中不受其他级次光谱重叠的波段称为自由光 谱范围。
m m 1
2 2 b b • 有用波长范围的经验公式： 2m 1 2m 1
Creative ways to construct winning e-mails
|
光栅制作的要求
• 根据理论计算和实际工作： • 一块用于一级光谱的光栅，它的刻线随机误差和周期误 差不应超过光栅常数的1%，累积误差不超过光栅常数的 10%。 • 对应用于第m级光谱的光栅，上述误差的许可值将与光 栅的光谱级次成反比。
• 例： • 应用1级光谱的1200 L/mm光栅，随机误差和周期误差不大于 0.008um，而累积误差要小于0.08um
• 要达到如此高的精度，技术上的难度极大。
Creative ways to construct winning e-mails |
光栅的制造方法
• 1、机械刻划
• 精选玻璃毛坯，真空镀膜，刻划槽型，检验
Creative ways to construct winning e-mails
'
i
a sin sin ' 2sin cos i i a ' i
|
闪耀波长
• 对于确定的光栅，对于一定的入射角，衍射角的方向与反射方向 一致的波长，称为光栅的闪耀波长。此时的衍射角称为光栅的闪 耀方向。 i • 正如前面所示，此时要满足： i 2 • 我们将刻槽面与光栅平面的夹角α称为闪耀角。上式称为付闪耀 条件。 • 此时的光栅方程： 2d sin cos i m • 一般规定m=1时的波长为闪耀波长λb，则： b 2d sin cos i • 当i=θ=α时（Littrow装置中），闪耀波长λB为： B 2d sin
|
Creative ways to construct winning e-mails
最小偏向角条件
• 对于单色的入射光，偏向角θ随入射角变化而变化， 对于某一个入射角，偏向角存在最小值。
ɑ i1 θ i'1 i2 i'2
d 0 di1
• 根据折射定律和几何关系可以 得到最小偏向角条件： i1 = i'2 此时： i'1=i2=α/2 θmin=2i1-α
• i=θ=α又称为主闪耀条件
b B cos
Creative ways to construct winning e-mails
i
2
B cos
2
|
闪耀光栅的效率
• 绝对效率：在给定的光谱级中，衍射光的通量对入射的 单色光通量之比。 • 光栅效率一般决定于刻槽的轮廓和密度，而且随波长变 化。 • 光栅效率也和入射光的角度以及偏振态有关。 • 闪耀波长处，光栅效率最高，在闪耀波长的两侧效率下 降。下降速度随级次增大而加快。 • 效率大于0.4的波长范围才被认为是有效的工作区域。
• 鬼线
• 是由刻划中的周期性误差引起的，这样会在真谱线两侧产生对称的 假谱线。 • 有罗兰鬼线和赖曼鬼线两种。
• 杂散光
• 刻划中的各种局部误差和随机误差，以及光洁度的不足等都会引起 杂散光的存在，现在的光栅一般要求杂散光的相对强度小于10-5
Creative ways to construct winning e-mails
• 角色散率 ： • 线色散率 ：
d d
dn 2 2 d 1 n sin 2 2
2sin
1 dn • 分辨率 ： R t d 3 d
Creative ways to construct winning e-mails |
几种常用的棱镜结构
• Littrow 棱镜
• Amici 棱镜
Creative ways to construct winning e-mails
|
Creative ways to construct winning e-mails
|
色散元件之光栅 Gratings
n
i
θ
d
光栅方程：
d sin i sin m
Creative ways to construct winning e-mails
m d constant d 0 d
|
Creative ways to construct winning e-mails
光栅的分辨率
• 考虑一块理想光栅，入射和衍射光线都位于主截面内， 假设为正入射（i=0），则波长λ的第m级主亮条纹：