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分光系统

分光系统

【色谱世界】【本书目录】【引用网址】

   分光系统是紫外可见分光光度计的核心部分。

它主要由入射狭缝、准直镜、光栅、物镜和出射狭缝组成。

入射狭缝起着限制杂散光进入的作用,它一般处在准直镜的焦点上;准直镜将从入射狭缝射进来的复合光变成平行光;光栅用来分光,分光系统有三个作用:

①分光,把从入射狭缝进来,投射到光栅上的复合光分成单色光;②转向,把从准直镜射过来的平行光改变方向,投射到物镜上;③能量传递,把从准直镜射过来的平行光的能量改变方向后传递到物镜;如果是Ⅳ型凹面光栅,则还有成像的功能,将从入射狭缝进来射到光栅的发散光会聚并成像到出射狭缝上;出射狭缝起限制光谱带宽的作用。

下面分别讨论分光系统的各个部件。

一、光栅

  光栅是分光系统的核心元件,关系到紫外可见分光光度计整机的质量好坏、水平高低,是一个非常重要的光学元件。

本书将进行较详细的讨论。

（一）光栅的分光原理

   由光栅方程:

d（sinα±sinβ）=mλ可知,对于相同的光谱级数m,以同样的入射角α投射到光栅上的不同波长λ1、λ2、λ3⋯组成的混合光,每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置;即不同波长的衍射光以不同的衍射角β出射。

这就说明,对于给定的光栅,不同波长的同一级主极大或次极大（构成

同一级光栅光谱中的不同波长谱线）都不重合,而是按波长的次序顺序排列,形成一系列分立的谱线。

这样,混合在一起入射的各种不同波长的复合光,经光栅衍射后彼此被分开了。

这就是衍射光栅的分光原理。

（二）光栅的基本特性

   光栅分为反射光栅和透射光栅两类。

在紫外可见分光光度计中,应用最广泛的是反射式衍射光栅,通常称为反射光栅。

根据光栅基面的形状是平面还是凹面,反射式衍射光栅又分平面反射衍射光栅、凹面反射衍射光栅两类。

根据光栅刻槽的微观形状能否使衍射光能量定向地集中在某个方向,又有闪耀光栅和非闪耀光栅之分。

根据光栅是用机械刻划方法还是用全息干涉方法制成的,还可分为刻划光栅和全息光栅两类。

根据光栅成像的形状,还可分为普通光栅和平场光栅（一般的平面或凹面光栅在出射狭峰上所成的像是弯曲不平的,而平场光栅在出射狭峰上所成的像是平面像）。

下面简单讨论一下使用最多的平面反射衍射光栅的光谱特性。

1.光栅光谱的特点

（1）光栅光谱的多级次性经棱镜色散后形成的光谱,只是按波长次序排列成一个单一的光谱。

而经衍射光栅色散后形成的光谱,则是包含m=0、±1、±2、±3⋯所有级次光谱的总和。

同一块光栅对同一束入射复合光可在不同位置形成一系列不同级次的光谱,在m=0两侧有对称分布的正级次光谱和负级次光谱。

因此,光栅光谱的多级次性是原理性的、本质的,是不可避免的。

光栅的这个特性,将对光栅的应用产生许多相应的问题,它会直接对紫外可见分光光度计的光谱分辨率和光谱的检测造成困难,这是所有紫外可见分光光度计的设计者、制造者、使用者必须重视的问题。

（2）光栅光谱的级次重叠由光栅方程d（sinα±sinβ）=mλ可知,波长为λ的一级（m=1）光谱线、波长为λ/2的二级（m=2）光谱线、波长为λ/3的三级（m=3）光谱线等都具有同样的衍射角,即βλ,1=βλ/2,2=βλ/3,3=⋯=βλ/m,m。

这就是衍射光栅光谱的级次重叠。

即衍射光栅在同一位置有不同级次的不同波长的光谱线。

在宽波段范围内进行高分辨率光谱研究或光谱分析工作时,光栅光谱的级次重叠是非常明显的,必须采取有力的措施,把不需要的波段隔离掉或滤掉;如采用前置单色器或相应波段的滤光片等。

只有这样,才能避免不需要级次光谱的干扰,才能保证紫外可见分光光度计的分辨率和分析测试数据的准确性和可靠性。

   （3）光栅光谱的匀排性由光栅方程d（sinα±sinβ）=mλ可知,在衍射角不太大的情况下（如在一级光谱内,靠近光栅法线区域时）,不同波长光谱线的位置基本上与其波长值成比例。

因此,光栅光谱中的各个波长谱线排列比较均匀,并随着波长值线性增加或减少,相应的光栅光谱线的位置（如离光栅法线的距离）也线性变化。

光栅光谱的排列比较均匀,不同波长区中同样波长差的两根谱线之间的距离变化不太大。

光栅光谱的匀排性不但使光谱更加整齐、匀称,而且对定性分析时初步判断、估计谱线的波长值等比较方便。

   在棱镜光谱中,由于不同波长的光线受到不同程度的折射而被色散。

而棱镜材料对不同波长的折射率变化是不与波长成线性的。

棱镜材料在短波方向的折射率的变化要比长波区的变化大得多。

因此,棱镜光谱中的谱线排列情况是不均匀的。

在短波区,因dn/dλ大,谱线排列非常稀疏,而在长波区,则因dn/dλ小,谱线排列非常稠密。

所以,同样大小的波长差值,相应的谱线之间的距离,短波处要大于长波处。

因此,棱镜在紫外区的色散要比可见、近红外区的色散大。

所以,有些紫外可见分光光度计（特别是高档紫外可见分光光度计）都用石英棱镜作前置单色器,就是这个道理。

   此外,在谱线的波长分布顺序方面,光栅与棱镜也是不同的;在光栅光谱中,波长越长的光线衍射角数值越大,谱线越偏离光栅法线。

在棱镜光谱中,波长越长的光线,偏向角越小,相应的谱线分布越接近入射角方向的位置。

2.平面衍射光栅的角色散率

   从微分光栅方程,可得到入射角固定不变时衍射光栅的角色散率为

式中,β为衍射角;λ为波长;m为光栅的光谱级数;d为光栅常数。

   从式（3-1）可以看出,光栅的角色散率有以下特点:

   ①光栅的角色散率与光谱级次m成正比;即高级次光谱具有高色散率。

因此,高级次光谱更适合高分辨率光谱工作。

   ②光栅的角色散率与光栅常数d成反比,说明光栅的刻槽密度越高的光栅其色散率越高。

   ③光栅的角色散率还与cosβ成反比,因此随着衍射角β增大,光栅的角色散率也会增大。

3.平面衍射光栅的分辨率

   平面衍射光栅的分辨率的定义是:

R=λ/Δλ（见图3-15）。

   由图3-15可知,设光栅的工作宽度为B=Nd（d为光栅常数,N为光栅的刻槽总数）,则衍射方向光束的宽度D=Bcosβ或D=Ndcosβ。

根据方孔衍射理论,衍射宽度为D时的最小可分辨角为

   式（3-3）就是光栅的分辨率公式。

从式（3-3）可知,增大光栅工作级次,增加光栅的刻槽总数都可以提高光栅的分辨率。

但是,光栅的刻槽总数N不是独立因素,不能期望不断增加光栅的刻槽总数N而无限制地提高光栅的分辨率。

4.反射衍射光栅的闪耀

   反射衍射光栅将入射到它上面的复合光分别衍射、分配到各级次的光谱中。

在光栅对入射光产生衍射作用的同时,光栅刻槽上的每个工作面相当于一个小镜面,也会反射入射光。

当光栅对某个波长的入射光形成的衍射光方向正好与该波长在工作面上的镜面反射方向吻合时,此波长的出射光将比其他波长更明亮或更耀目。

称此为闪耀。

光栅闪耀波长就是指的在这个波长上,光栅的出射能量最强。

   关于光栅的出射能量问题,在此需要指出的是,并不是光栅在闪耀波长上输出的能量大就好,而是要在整个波段内,输出能量平坦才比较好。

若光栅刻槽工作面倾斜角为ε,某波长的衍射光正好与工作面反射光方向一致,则有

                             图3-16平面反射光栅的闪耀

   经常会看到有些光栅制造商,在商品目录上给出自准直状态下,（即α=β）,光栅的闪耀角ε=α=β,同时还标出波长值。

但是,这些数据都是在m=1的一级光谱条件下的数据。

   如果一块光栅是对一级光谱的波长λb闪耀的,那么在二级光谱中,将对波长为λb/2的光线也产生闪耀作用,在三级光谱中,对波长为λb/3的光线也产生闪耀作用。

   在闪耀波长处,光栅的相对光强度最高。

随着波长偏离闪耀波长,衍射效率逐渐下降,而且,如图3-17所示,在短于闪耀波长的一侧下降更快。

            图3-17闪耀光栅的各级次的相对效率

5.光栅谱线的弯曲

   由于光栅对来自狭缝中心点的光线和来自狭缝非中心点的光线的衍射程度不同,因此就产生了光栅谱线的弯曲。

光栅谱线的弯曲情况如图3-18所示。

波长值越大的谱线弯曲得越厉害（棱镜谱线弯曲与此相反）。

但光栅谱线的弯曲程度比棱镜谱线弯曲要小。

                        图3-18光栅谱线的弯曲情况

6.光栅的放大率及全息光栅

（1）光栅的放大率如同不在最小偏向角下工作的色散棱镜一样,如果光栅不工作在衍射角等于入射角的对称状态,也会对光束产生一个附加的放大率

（2）全息光栅全息光栅也是目前使用很多的光栅。

当两束相干的平行光束交会时,会形成一系列平行、等距的直线状干涉条纹。

高能量、高单色性的激光和高质量的光致抗蚀剂的发展,使得利用光干涉条纹制作衍射光栅的设想得以实现。

如图3-19所示,来自激光器的激光束通过分波前方式或分增幅方式变成两束相干平行光束,并使它们在均匀涂布有光致抗蚀剂的光栅毛坯P上交会,产生均匀、等距的平行直线干涉条纹,使光栅毛坯P上各点的光致抗蚀剂受到不同程度的曝光。

再经过适当的显影、漂洗、干燥过程,就可获得与干涉条纹一模一样的凹凸精细结构表面,再在此表面上真空镀铝（Al）,最终得到具有均匀间隔、平行直沟槽的反射衍射全息光栅。

干涉条纹的间距,即全息光栅的光栅常数d是由两相干光束间的夹角2θ、激光波长λ和干涉条纹记录空间介质的折射率n决定的。

   记录空间介质的折射率一般为空气,n=1。

所以,当光束之间的夹角最大（即θ=90°）时,全息光栅的最小光栅常数dmin=λ/2。

7.全息光栅的特点

   ①工作时不会产生鬼线和伴线,这是广大使用者最欢迎的。

   ②不存在刻划光栅刻槽的微观不规则或毛刺等缺陷,所以杂散光远远小

于刻划光栅的杂散光。

   ③适当改变制作条件,就可制作成消像差的全息光栅。

   ④可以制作任意尺寸的全息光栅。

   ⑤制造周期短。

   ⑥制造成本低。

   一般来讲,紫外可见分光光度计对光栅的基本要求都非常高。

归纳起来主要有以下几条:

①杂散光要小;②输出能量曲线要平滑,即从长波到短波,输出能量曲线起伏要小、平滑;③波长范围要宽,目前一般紫外可见区使用的光栅,其波长范围可达190～900或1000nm;④分辨率要高。

二、准直镜

  根据牛顿定律,从透镜或反射镜的焦面上发出的光,射到透镜或反射镜（准直镜）后,会变成平行光。

而入射狭缝都处在准直镜的焦面上。

所以,准直镜的作用是将从入射狭缝射进来的、发散的复合光变成平行光。

准直镜和入射狭缝之间的相对位置非常重要（即入射狭缝要严格处在准直镜的焦面上）,它会直接影响平行光的平行度,从而影响单色器的单色性。

三、物镜

   根据牛顿定律,一束平行光入射到透镜或反射镜后,将会聚在透镜或反射镜的焦面上;出射狭缝处在物镜的焦面上。

所以,物镜的作用是将射到物镜的平行光,会聚在出射狭缝上。

物镜和出射狭缝之间的相对位置非常重要（即出射狭缝要严格处在物镜的焦面上）,它会直接影响平行光的平行度。

从而影响单色器的单色性。

四、单色器

   单色器是一种能从各种波长组成的复合光源中,分离出有一定Δλ的单色光的仪器。

单色器分离出的某种波长的单色光,不可能是真正的单色光,总是包含某一狭窄的光谱区间Δλ。

由于此区间的波长范围很小,因此被认为是单色光。

一般单色器都是由入射狭缝、出射狭缝、色散元件（光栅或棱镜）、准直镜、成像物镜等组成。

单色器的种类较多,有专用型、通用型、光栅型、棱镜型等多种。

紫外可见分光光度计的设计制造者,一般是根据使用要求来选择类型。

不管是何种单色器,其主要技术指标一般包括以下内容:

①工作波长范

围;②波长准确度;③波长重复性;④光谱带宽;⑤杂散光;⑥波长扫描速度;⑦有些单色器还给出物镜的相对孔径、物镜的视场角、分光元件的色散率、单色器的类型等。

   在紫外可见分光光度计中,常将光栅、准直镜、物镜、狭缝等元件组合起来,作为紫外可见分光光度计的一个部件。

紫外可见分光光度计中的单色器一般又分棱镜单色器和光栅单色器两种,现将其具体构型和排列方式介绍如下。

（一）棱镜单色器

  常见的棱镜单色器共有如下四种构型。

1.透射式棱镜单色器

  透射式棱镜单色器一般采用阿贝型恒偏向棱镜,其光路如图3-20所示。

这种棱镜实际上是由两块30°的分光棱镜和一块直角棱镜组成。

直角棱镜只起反光作用,不参与分光。

所以,阿贝棱镜可以看成是两块30°的色散棱镜,它与一块60°的分光棱镜的作用相等效。

2.反射式立特洛（Littrow）型棱镜单色器

   反射式立特洛（Littrow）型棱镜单色器的光路图如图3-21所示。

该单色器一般是用一块离轴抛物面镜同时起准直物镜和成像物镜的作用。

光束两次通过棱镜,可以使色散加倍。

3.自准式30°棱镜单色器

   在分辨率要求不高的时候,经常采用一块球面镜和一块30°棱镜组成简单的立特洛型棱镜单色器。

其光路如图3-22所示。

该单色器在棱镜直角边的一侧涂上反射膜层,使光束经此面折回。

当旋转自准棱镜时,可实现波长扫描。

为减少杂散光,一般在棱镜膜层后面或不通光的棱边上涂上黑色无光漆。

4.瓦茨沃斯（Wadsworth）型棱镜单色器

   瓦茨沃斯（Wadsworth）型棱镜单色器的光路图如图3-23所示。

该单色器的色散棱镜和一块平面反射镜连在一起,形成恒偏向装置。

波长扫描时,棱镜和平面镜一起绕棱镜底边中点C转。

该系统有较好的成像质量。

（二）光栅单色器

  常见的光栅单色器大致有以下5种类型。

1.立特洛（Littrow）型光栅单色器立特洛（Littrow）型光栅单色器的光路如图3-24所示。

   光束在光栅上的入射角接近等于衍射角,准直物镜和成像物镜同用一个物镜。

这种类型的单色器,又称自准式光栅单色器。

因为它的入射狭缝、出射狭缝很靠近,所以其杂散光比较大。

2.切尔尼-特纳（Czerny-Turner,简称C-T型）型光栅单色器

           图3-24立特洛（Littrow）型光栅单色器

   这种光栅单色器是一种采用两块球面镜作为准直镜和成像物镜的系统。

常用水平排列方式。

两块球面镜可相互补偿慧差,具有较好的成像质量。

并且,增加狭缝高度不会严重影响仪器的分辨率。

同时,球面镜的加工也比较容易。

   其光学系统如图3-25所示,在该系统中,入射狭缝S1和出射狭缝S2对称分布在色散元件的两边,M1和M2分别为准直镜和物镜;该系统的最大特点是像差（慧差）小。

它的慧差为自准直系统的1/5左右,所以该系统经常被大量采用。

3.濑谷-波冈型凹面光栅单色器

   濑谷-波冈型凹面光栅单色器的光路如图3-26所示。

濑谷-波冈型凹面光栅单色器是一种罗兰圆外的装置,入射和出射狭缝都在罗兰圆之外,光栅上的入射光轴与出射光轴夹角较大,一般约为i+θ=70°。

   在保持入射狭缝和出射狭缝都不动的情况下,绕光栅中心转动光栅,就可完成光谱扫描。

一般入射角由26°变为44°时,离焦量才有光栅中心到出射狭缝距离的0.1%。

其主要像差是像散和慧差。

但已有消像散的凹面光栅,可消除像散,获得很高的像质。

4.艾伯特（Ebert）型光栅单色器

   艾伯特（Ebert）型光栅单色器是只用一块凹面球面镜的两部分,作为准直镜和物镜,代替C-T型光栅单色器的两块凹面球面镜。

其光路图如图3-27所示,此结构较简单,成本较低。

5.Monk-Gilieson型光栅单色器

   Monk-Gilieson型光栅单色器的光路如图3-28所示。

（三）单色器光路的排列和分类

1.水平式自准直系统

   所谓自准直系统就是非对称的单色器光学系统;所谓水平式自准直系统,就是所有的光学元件中心和狭缝中心都在同一平面上的自准直系统。

如图3-29棱镜式、图3-30光栅式所示,它们的入射狭缝和出射狭缝都在色散元件的同一侧。

   现以光栅式水平式自准直系统为例,说明其工作原理。

在图3-30中,S1位于球面反射镜或抛物面反射镜M1的焦面上。

当光线进入狭缝S1后,通过小平面反射镜射到M1上,M1将入射的光线变成平行光后,

照射到光栅G上,经光栅色散后的光线再射到M1上;还是由M1聚焦到出射狭缝S2上,并在S2处形成光谱。

2.垂直式自准直系统

   垂直式自准直系统（见图3-31）中,杂散光与球差的数量与水平式自准直系统相同。

但慧差不同,水

平式自准直系统的慧差使谱线产生非对称性变宽,而垂直式自准直系统使谱线在高度方向产生非对称性伸长。

因此,对同样的光学参数来说,该系统的分辨率略优于前者。

（四）用于非平行光束的平面光栅单色器

   常见的平面光栅单色器是把光栅放在平行光束中工作,这样可使光栅产生的像差较小,仪器可以获得较高的分辨率。

但是,在有些专门的用途中,不要平面光栅单色器求分辨率很高,而要求仪器的通光性能很好。

甚至通光性能比分辨率更加重要,这时可以将光栅放在非平行光束中,整个光学系统中除光栅以外,只有一块凹面反射镜（见图3-32）。

图3-32中,S1为入射狭缝;G为平面光栅;M为球面镜;L为柱面镜;

S2为出射狭缝。

（五）双单色器

   如果将两个简单的单色器连接在一起,就组成了双单色器。

双单色器有一个入射狭缝、一个出射狭缝和一个中间狭缝。

中间狭缝既是第一个单色器的出射狭缝,又是第二个单色器的入射狭缝。

两个单色器的连接有两种方式:

一种是两个单色器的色散相加;另一种是两个单色器的色散相减。

其光学系统原理示意如图3-33（a）～（d）所示。

                     图3-33几种双单色器的光学系统原理示意

   图3-33中,S1为入射狭缝;S2为中间狭缝;S3为出射狭缝;P1、P2为棱镜;G1、G2为光栅。

   如何判断双单色器中两个单色器的色散是相加还是相减?

可用下述简单方法:

假设一路光束从第一个单色器的入射狭缝进入,另外一路光束从第二个单色器的出射狭缝进入,两路光束聚焦成像在中间狭缝平面上,如果两路光束形成的长波光线及短波光线位置都相同,则为色散相减系统;如果所形成的长波光线及短波光线位置相反,则为色散相加系统。