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图解各类光谱仪工作原理——创想仪器GLMY
发布时间:2021-01-26 点击:124
从光谱分析比较常见的几种分析仪器的原理来讲一般有以下三种,第一种是光栅光谱仪,第二种是中阶梯光谱仪?,第三种是傅里叶光谱仪?,当然还有一些其他的光谱仪比如说能量色散X必赢棋盘-必赢棋盘,手持式激光诱导击穿光谱仪,但是常见的一般是前三种,下面大家就前三种光谱仪原理作简单的图文解析。

先说光栅光谱仪(Grating Spectrometer)其实也是大家最常见的全谱必赢棋盘,其基础原理如下图所示。

https://cxyq.imwsoft.cn/20210126090902-FgretSF_igoJ6kSeQBT21mttvWxr.jpg
光栅光谱仪??
【上图引自维基百科Optical spectrometer词条】
通常来说,光谱仪有三个重要组成部分:狭缝(Slit)、色散元件(Dispersive element)、检测器(Detector)。光栅光谱仪的色散元件为光栅,基础原理可由光栅方程描述:[公式]
下图就是一个典型的Czerny-Turner光栅光谱仪的结构示意图:
https://cxyq.imwsoft.cn/20210126090954-FutDEBpquR-oWKsp642q_chXHSi9.png
Czerny-Turner光栅光谱仪的结构示意图??
在光谱仪性能评价中,重要的评价指标之一便是色散能力(Dispersive power),如下式所示:[公式]
简单而言,就是色散元件能够把复色光分散到多宽的范围上,光被分散地越宽,光谱仪的分辨率自然越好。从上式中可以看到,焦平面越远(即[公式]越大),刻线越密(即[公式]越小),色散能力越强,后者受到光栅制作工艺限制,传统的光谱仪往往在[公式]上下功夫,这也是光谱仪做的比较大的原因。

然而,值得注意的是,你把光谱仪的分辨能力提得越高,虽然波长相近的光能够被区分地更好,但其代价就是一定长度的detector上所能展现的光谱范围变小了,所以,当光栅光谱仪发展到一定阶段后,人们发现重要的问题又出现在了检测器(detector)这一侧。

所以,针对这个问题,大家再先容一种光谱仪,即中阶梯光谱仪(Echelle Spectrometer),其实从原理上来说,它也属于光栅光谱仪啦,只不过它所用的光栅与传统的光栅光谱仪不大一样,如下图所示:

https://cxyq.imwsoft.cn/20210126091021-FrnYQgIb4DF9EWrKRJF_OmUJqCtD.png
中阶梯光谱仪(Echelle Spectrometer)光栅结构?

可见,这种光谱仪它的刻线密度要比传统的光栅光谱仪的刻线密度要低,但是它的光谱级次[公式]要比传统光栅光谱仪高得多,衍射角[公式]也要小很多,因而可以获取较高的分辨率。但是使用高级次光谱的问题在于不同波长的色散光谱之间会发生重叠,因而需要用色散元件和面阵的detector来处理这一问题,后者相较于传统线阵detector而言,也更有利于展示更宽的光谱范围的内容,中阶梯光谱仪的示意图如下图所示:
https://cxyq.imwsoft.cn/20210126091133-FueM2vSFX5b7LHEeyhis9XCFXzz_.png
中阶梯光谱仪的示意图??
之前先容的都是光栅光谱仪,下面先容一下干涉光谱仪,其基础原理逊干涉仪(Michelson interferometer),也叫做傅里叶光谱仪(Fourier transform spectrometer),如下图所示:
https://cxyq.imwsoft.cn/20210126091202-FgbUrXpRQgjsP5cHCfjsqi-8PyxD.png
干涉光谱仪??
【上图引自维基百科Michelson interferometer词条】
其原理是利用傅里叶变换分解干涉仪得到的干涉图样,得到波长范围分布的光谱,其优点是分辨率无限(相对于传统光谱仪要受到刻线能力的影响而言),缺点是包含移动元件,同时想要得到更高的分辨率,移动的距离就要越远,即在尺寸上有所牺牲,这种光谱仪我没用过,就不多说了。

从原理上来说,以上三种光谱仪是光谱分析中比较常用的了。其它类型光谱仪大家在此就不多做先容了。


编辑:果程C

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