光栅光谱仪简介
光栅式光谱仪原理
光栅式光谱仪原理光栅是一种具有规则周期性结构的光学元件。
它由许多平行排列的等间距透明间隔和不透明栅片组成。
当入射的平行光通过光栅时，它会根据光栅的周期性结构发生衍射现象。
根据衍射定律，发生衍射的角度满足sinθ = mλ/d，其中m为衍射级别，即衍射光的顺序，λ为入射光波长，d为光栅的周期。
在光栅式光谱仪中，光栅通常被放置在一个旋转的主轴上。
当入射光通过光栅时，根据衍射定律可以得到入射波长的分立角度，然后通过光学元件将不同波长的光线分离并聚集到光敏器件上，例如光电二极管或CCD。
通过测量光敏器件上不同位置的光强度，就可以得到光线的衍射角，从而实现光谱测量。
光栅式光谱仪的分辨率取决于光栅的性能和光栅的高次衍射级别。
分辨率可以通过dλ/d=mN来计算，其中dλ是波长差，d是光栅常数，N是光栅使用的级别数。
较高的级别数意味着更高的分辨率，但也会导致衍射的光线更加复杂，需要更多的计算。
因此，分辨率和测量速度之间存在着折衷。
光栅式光谱仪还可以通过更多的光学元件来实现不同的功能。
例如，如果在光谱仪的输入处加入一块棱镜，它可以用来分离光线的偏振状态。
如果在光栅后面放置一个焦散棱镜，它可以根据波长将不同的光线聚焦在不同位置上，从而实现定向波长分离。
光栅式光谱仪的应用非常广泛。
在化学和物理领域，它常用于测量物质的光谱特性，例如元素分析、化学反应动力学分析等。
在天文学中，它被用来研究宇宙中不同天体的光谱特征。
此外，光栅式光谱仪还常用于激光技术、光通信、生物医学等领域。
总结起来，光栅式光谱仪基于光栅的衍射原理，通过衍射定律计算入射波长的分立角度，并通过光学元件将不同波长的光线分离并聚焦在光敏器件上实现光谱测量。
它具有简单、高分辨率和广泛的应用等优点，被广泛应用于各个领域的光谱分析与测量中。
4-05光栅光谱仪
色散本领： i) 角色散本领：
dq
dq k Dq º = dl d cosq k
单位：°/nm 色散本领指的是中心位置！
ii) 线色散本领：
光栅周期d越小、衍射级数k越高，色散本领越大。
dl kf Dl º = fDq = dl d cosq k
单位：mm/nm
焦距越大、色散本领越大，线色散本领越大。
1级 3级 2级
sin k
d
光栅公式： d sin k 区别于棱镜光谱仪的是光栅光谱仪有多套光谱，分别对 应于光栅的不同衍射级次，而棱镜光谱仪只有一套。
0级
2. 光栅的色散本领和色分辨本领
光谱仪的参数
1. 2. 3. 4. 5. 6. 分开不同波长的光： 色散本领、色分辨本领 自由光谱范围 记录不同波长的光的强度：强度分辨本领 时间分辨本领 效率 价格
1.光源 1. 2. 3. 4. 5. 6.
2.照明准直
3.分光
4.成像
5.接收
原子发光和吸收 分子吸收 喇曼散射 荧光 激光 氙灯 钨灯
1. 2. 3. 4.
物质（棱镜） 衍射（光栅） 干涉（F－P） 干涉（傅里叶）
1. 2. 3. 4. 5.
直读 照相 光电 CCD CMOS
1. 光栅的分光原理
dn R b d
作业
p.30: 1, 3, 4
600线/mm,458nm
光栅光谱仪
被 测 样 品
匹 配 透 镜
入 射 狭 缝
探测器
出 射 狭 缝
光谱仪 & 单色仪
小型光纤光谱仪
5. 棱镜光谱仪的色散本领
dn b dn 2 2 1 n sin 2 d a d 2 sin 2
关于光栅光谱仪的选择介绍
关于光栅光谱仪的选择介绍什么是光栅光谱仪？光栅光谱仪是一种测量光谱的仪器，通过光栅的光学分散作用将光分为不同的波长，再测量不同波长的光强度，从而得出样品的光谱信息。
与其他光谱仪相比，光栅光谱仪可以提供更高分辨率、更广波长范围和更高精度的光谱测量结果。
如何选择适合的光栅光谱仪？1. 分辨率光谱仪的分辨率是指可以分辨两个波长之间的最小差异。
分辨率越高，能够测量的波长范围就越广。
选择光栅光谱仪时应考虑所需的分辨率。
一般来说，分辨率越高的光栅光谱仪成本更高。
2. 感光面积感光面积是指仪器光电探测器接收光信号的面积。
感光面积越大，可以提供更多的光信号，从而提高信噪比，减少测量误差。
对于需要测量弱光信号的实验，应选择具有较大感光面积的光栅光谱仪。
3. 光谱范围光谱范围是指光谱中可以测量的波长范围。
光栅光谱仪的光谱范围通常因其性能和设计限制而有所不同。
对于需要同时测量多种光信号的实验，应选择具有宽波长范围的光栅光谱仪。
4. 光谱精度光谱精度是指测量值与真实值之间的误差。
选择具有高精度的光栅光谱仪可以提高实验结果的准确性。
5. 光路设计光栅光谱仪的光路设计决定了其测量范围、分辨率和精度。
在选择光栅光谱仪时，应注意其光路设计是否符合实验需求。
6. 品牌和售后服务选择可靠的品牌和提供优质售后服务的厂家也是选择光栅光谱仪的重要因素之一。
光栅光谱仪应用领域光栅光谱仪广泛用于材料及半导体行业、化学分析和环保等领域。
在材料行业中，光栅光谱仪可以用于材料表面的薄膜传感器中；在环保方面，光栅光谱仪可以检测光污染和大气污染物等。
光栅光谱仪的优缺点光栅光谱仪具有高精度、高分辨率、宽波长范围和灵活性等特点。
与其他类型的光谱仪相比，它最大的优点是能够同时具有高分辨率和宽波长范围。
此外，光栅光谱仪还非常灵活，可以根据实验需求调整其参数。
然而，光栅光谱仪仍然存在一些缺点。
一些高分辨率光栅光谱仪比其他类型的光谱仪成本更高。
同时，光栅光谱仪中的较小的背景噪声可能会使一些弱信号的测量结果不够精确。
简述光栅光谱仪的结构
简述光栅光谱仪的结构光栅光谱仪是一种基于衍射原理并具有高分辨率能力的光谱仪器，主要用于分析光的光谱成分及其波长分布。
其结构主要包括光源系统、进光系统、分光系统、成像系统、检测系统和数据处理系统等部分。
光源系统是光栅光谱仪中最关键的部分之一，其主要作用是产生所需的光源并进行光束的整形和集光。
常用的光源有白炽灯、氘灯、钨灯、氙灯和激光等。
此外，在进光系统中还需要加入一些附属器件，如透镜、准直器、光纤等，以保证进入光栅的光束尽可能平行和稳定。
进光系统的作用是将光束传递到分光系统中，它由主体、镜组和进光狭缝组成，主要功能是将光线传递到光栅上进行衍射分光。
进光系统的狭缝和镜组质量的好坏直接关系到光栅光谱仪的分辨率和透光率的高低。
分光系统通常由凸透镜、反射镜和光栅构成。
凸透镜用于修正从狭缝进入光谱仪以后透出的光线所带来的色差及像差，保证光束聚焦精度；反射镜主要用于反射和调节传入光线的位置和入射角度，以确保光束入射光栅后能够得到最佳的衍射效果，提高光栅光谱仪的分辨率和分光范围。
光栅作为分光系统的核心部件，主要用于将不同波长的光分离并衍射到不同角度下，实现波长的分离与测量。
常见的光栅包括圆柱形光栅、平板光栅和凹面光栅。
成像系统通过使得衍射光聚焦于接收器上，实现对分光后的信号的检测。
它包括主体、镜组、镜头和CCD探测器等部分。
其主要任务是将经过分光系统衍射的光束重新集中并成像到CCD探测器上，提高光栅光谱仪的检测灵敏度，并增加测量精度。
检测系统是一个检测装置，用于测量求得的信号。
它通常由光电倍增管或光度计等探测方法组成。
光度计是最常用的检测器，因为它具有极高的测量精度及高响应速度，但它对灵敏度的要求较高，也存在许多误差源。
数据处理系统是指计算和显示系统，它由电脑及其附属程序组成。
在光栅光谱仪中，数据处理系统可以对光谱信号进行处理和分析，提高测量精度和实验效率。
如对CCD探测器获取的光谱图数据进行图形显示、谱线测量、数据比对等，以及对数据挑选、平滑、拟合等数据处理。
光栅光谱原理
光栅光谱原理
光栅光谱仪是一种常用的光学仪器，用于分析光的成分和特性。
其工作原理基于光的衍射和干涉现象。
下面将介绍光栅光谱仪的原理。
光栅光谱仪的核心部件是光栅，光栅是一种有规则的光学元件，其表面有许多平行的刻痕。
当光线照射到光栅上时，光会根据衍射和干涉的原理经过光栅的刻线后发生偏向和干涉。
当入射光经过光栅后，会根据光栅上的刻痕间距和光的波长发生衍射。
根据衍射公式，不同波长的光会有不同的衍射角度。
这样，光栅光谱仪就可以通过测量衍射角度来确定光的波长。
这是分析光的成分的一种方法，通常称为光谱分析。
除了波长，光栅光谱仪还可以测量光的强度。
当光经过光栅后，不同波长的光在衍射过程中会发生干涉现象。
根据干涉的原理，干涉程度与入射光的相位差有关。
通过测量干涉程度，光栅光谱仪可以获得光的强度信息。
这是分析光的特性的一种方法，通常称为光谱特性分析。
总结起来，光栅光谱仪的原理基于光的衍射和干涉现象。
通过测量衍射角度和干涉程度，可以确定光的波长和强度信息。
光栅光谱仪在物理学、化学、生物学等领域的研究中有广泛的应用。
光栅光谱仪
q b -q b D
qb
d
图4.4-10 闪耀光栅的衍射（垂直槽面照射）
② 平行光垂直光栅平面入射 由于刻槽表面相对于光栅面法线方向夹角为qb，单槽衍射的0级极大值 不再沿刻槽面法线方向，而是沿与光栅面夹角 q0=2qb的反射方向。相邻刻
槽表面反射的光束间的光程差变为：D=dsin(2qb)。因此，闪耀条件变为 ， j= 1, 2, 3, · · ·
4、光栅的色分辨本领
色散本领只反映谱线（主极强）中心分离的程度，它 不能说明两条谱线是否重迭，要分辨波长很接近的谱线需
要每条谱线都很细。
λ λ+δλ 角间隔：δθ 谱线半角宽度:Δθ 无法分辨:Δθ＞δθ 刚好分辨:Δθ =δθ 较好分辨:Δθห้องสมุดไป่ตู้δθ （见图2-2）
瑞利判据： Δθ=δθ 两条谱线刚好分辨的极限 谱线的半角宽度：△θ=λ/(N d cosθk ) δλ=δθ /Dθ= △θ/Dθ = (λ/N d cosθk ) / [k /(d cosθk) ] =λ/(N k) δλ越小，色分辨本领越大。 分光仪器的色分辨本领定义为：R=λ/δλ 光栅的色分辨本领公式为：R=N k 只与k、N有关，与d无关。
( j 0,1,2,3, ) 布喇格方程
即当满足上式时，各层面上的众多粒子的无穷次波（即反射光）相干加 强，形成细锐的亮点，称为 j 级衍射主极大。
因为晶体中粒子排列的空间性，所以，劳厄斑是由空间分布的亮斑组成。
X射线衍射现象
晶体
X 射线
劳厄斑
诺贝尔奖颁奖现场
X 射线的应用不仅开创了研究晶体结构的新领域， 而且用它可以作光谱分析，在科学研究和工程技 术上有着广泛的应用。 在医学和分子生物学领域也不断有新的突破。 1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用 X 射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖 核酸（DNA) 的双螺旋结构，荣获了1962 年 度诺贝尔生物和医学奖。
光栅光谱仪原理
光栅光谱仪原理
光栅光谱仪是一种利用光栅原理来进行光谱分析的仪器。
光栅光谱仪的工作原
理主要包括入射光的衍射、光栅的色散和光谱的检测三个部分。
首先，入射光的衍射是指当入射光线照射到光栅上时，由于光栅表面的周期性
结构，会出现衍射现象。
光栅的周期性结构可以将入射光线分散成多个不同波长的衍射光线。
这些衍射光线的角度和强度与入射光的波长相关，因此可以通过测量衍射光线的角度和强度来确定入射光的波长。
其次，光栅的色散是指光栅对不同波长的光线具有不同的衍射角度。
这是因为
光栅的周期性结构决定了不同波长的光线在光栅上的衍射效果不同，从而使得不同波长的光线被分散到不同的位置。
通过测量衍射光线的角度，可以确定不同波长的光线在光栅上的衍射位置，进而得到光谱图。
最后，光谱的检测是指利用光电探测器等设备来测量光栅衍射出的光线的强度。
光电探测器可以将光信号转换为电信号，并通过信号处理电路对光谱进行分析和处理。
通过测量不同波长的光线的强度，可以得到样品的光谱信息，包括吸收光谱、发射光谱等。
总的来说，光栅光谱仪利用光栅原理对入射光进行衍射、色散和检测，从而实
现对样品光谱信息的获取。
光栅光谱仪具有高分辨率、宽波长范围、精准的波长测量等优点，被广泛应用于化学分析、光谱学研究、材料表征等领域。
光栅光谱仪的原理简单而又精密，其工作原理的深入理解对于光谱学和光学研
究具有重要意义。
通过对光栅光谱仪原理的深入学习和掌握，可以更好地应用光栅光谱仪进行科学研究和实验分析，为相关领域的发展做出贡献。
光栅光谱仪的自由光谱范围
光栅光谱仪自由光谱范围与应用技巧光栅光谱仪是一种重要的光学仪器，被广泛应用于各种光学应用，如光谱分析、光谱测量、光谱成像等。
其中，自由光谱范围是光栅光谱仪的一个重要参数，它决定了光谱仪能够测量的光谱范围。
一、自由光谱范围的定义自由光谱范围（Free Spectral Range，简称FSR）是指光栅光谱仪在一定的衍射阶数下，相邻两个光谱峰之间的频率差。
换句话说，自由光谱范围表示了光谱仪能够分辨的最小光谱间隔。
二、自由光谱范围的计算自由光谱范围的计算公式为：FSR = (m × d × f) / (n × d) = m × f / n其中，m是衍射阶数，d是光栅常数，f是光源的频率，n是光栅的刻线数。
三、自由光谱范围的影响因素1.光栅常数：光栅常数是光栅的一个重要参数，它决定了光栅的衍射能力。
一般来说，光栅常数越大，光栅的衍射能力越强，自由光谱范围也就越大。
2.衍射阶数：衍射阶数是光栅光谱仪的一个重要参数，它决定了光栅的分辨率。
一般来说，衍射阶数越高，光栅的分辨率越高，自由光谱范围也就越大。
3.光源频率：光源频率是影响自由光谱范围的另一个重要因素。
一般来说，光源频率越高，自由光谱范围也就越大。
4.光栅刻线数：光栅刻线数是光栅的一个重要参数，它决定了光栅的精度和稳定性。
一般来说，光栅刻线数越多，光栅的精度和稳定性越高，自由光谱范围也就越大。
四、自由光谱范围的应用1.光谱分析：自由光谱范围是光栅光谱仪进行光谱分析的重要参数之一。
通过测量不同波长的光强分布，可以确定物质的光谱特征和组成。
2.光谱测量：利用自由光谱范围较大的光栅光谱仪，可以测量出不同波长的光强和相位等参数，从而得到被测物质的光谱数据。
3.光谱成像：通过测量不同波长的光强分布，可以形成被测物质的光谱图像。
这种技术被广泛应用于医学、生物、环境等领域。
4.激光器调谐：利用自由光谱范围较大的光栅光谱仪，可以测量出不同波长的激光器输出功率和相位等参数，从而实现对激光器的精确调谐。
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四、根据要求选配合适的单色仪
前面介绍了单色仪的一些重要参数，那么怎么根据要求选配 合适的单色仪呢，可以参照以下几个基本的参数： 1、波长范围 2、谱线的半高宽（FWHM）即光谱分辨率 3、焦距F和通光孔径D的比值 4、杂散光 5、波长精度和重复性 6、自动化水平 7、端口数
（5）光栅方程
如图5-1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： m λ =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： m λ =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 图5-1 消二级光谱滤光片轮的意义。
（2）光谱仪的结构
1、入射狭缝 2、准直元件 3、色散元件 4、聚焦元件 5、探测器阵列
（3）光谱仪的应用
三、单色仪重要参数的定义及计算
（1）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： 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/W M-光栅线数 F-谱仪焦距 W-狭缝宽度。 （2）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
光栅光谱仪
一、光栅光谱仪介绍 二、光栅光谱仪基础知识 三、单色仪重要参数的定义及计算 四、根据要求选配合适的单色仪
一、光栅光谱仪介绍
1、概念
光栅光谱仪，是将成分复 杂的光分解为光谱线的科学仪 器。通过光谱仪对光信息的抓 取、以照相底片显影，或电脑 化自动显示数值仪器显示和分 析，从而测知物品中含有何种 元素。光栅光谱仪被广泛应用 于颜色测量、化学成份的浓度 测量或辐射度学分析、膜厚测 量、气体成分分析等领域中。
谱王系列(Omni-λ)
2、工作原理
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。
二、光栅光谱仪基础知识
1、光栅基础
（1）光栅定义 光栅也称衍射光栅，是由大量的等宽等间距的平行狭缝（或反 射面）构成的光学元件，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。从广义上理解，任何具有空间周期性 的衍射屏都可叫作光栅。 （2）光栅作用 1、使通过的光发生干涉和衍射现象； 2、具有分光作用，能使光发生色散。 （3）光栅分类 光栅有许多种分类，可以按照光栅作用、光栅结构以及光栅制 作方法分类。
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。
（4）波长精度、重复性和准确性
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。 波长准确度是光谱仪设定波长与实际波长的差值。卓立汉 光的每台单色仪都要在多个波长点检查波长准确度。 （5）F/# F/#定义为焦距（f）与光谱仪内有效光学元件最小通光孔 径（D）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。
光栅制作方法 复制光栅：用母光栅复制而成 全息光栅：光谱范围广、杂散光低，可做到高光谱分辨率
除以上几类光栅之外，还有大型天文光栅、闪耀全息光栅、 激光微调光栅等。 （4）如何选择光栅 如何选择光栅要依据我们要测量的物质类型，一般选择光栅 主要考虑如下因素：
1、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； 2、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； 3、使用范围，光栅的使用下限通常可认为是光栅闪耀波长的一半，上限可认为 是光栅闪耀波长的二倍，实际可参考光栅效率曲线图； 4、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Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科 学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表 面反射的光线。
（1）光谱仪的分类
可按使用的波段划分： 红外光谱仪和紫外光谱仪 按色散元件的不同分为： 棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪 按探测方法分为： 分光镜、摄谱仪和分光光度计 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。
透射光栅 光栅作用 反射光栅
矩形透射率光栅 正弦透射率光栅 闪耀光栅：有较高的能量利用率
凹面光栅：能自动聚焦成像
平面光栅：槽间距和闪耀角决定了能量分布 光栅结构
凹面光栅：常用于低于250nm的区域 阶梯光栅：有高分散性和高分辨率，并结合高效率和紧凑设计
棱镜光栅：能产生不偏离中心波长的直通频谱 刻线光栅：用钻石刻刀刻划而成，具有高衍射效率
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435.8nm） 时的倒线色散。 （3）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。 带宽=倒线色散*狭缝宽度