光柵單色儀設(shè)計(jì)

單色儀是一種光譜儀，它一次將單個(gè)波長或波段成像到出射狹縫上;通過入射和/或出射光學(xué)器件(通常是狹縫)相對(duì)于光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來掃描光譜。

平面光柵是指表面平坦的光柵。平面光柵通常用于準(zhǔn)直入射光，該入射光被波長分散但不聚焦。平面光柵通常需要輔助光學(xué)器件，如透鏡或反射鏡，以收集和聚焦能量。一些簡化的平面光柵用會(huì)聚光照射光柵，盡管系統(tǒng)的焦點(diǎn)特性將取決于波長。為了簡單起見，下面只討論平面反射光柵，盡管每個(gè)光柵具有透射光柵性質(zhì)。

Czerny Turner單色儀

圖6-1 Czerny-Turner 結(jié)構(gòu)，平面光柵提供色散，凹面鏡提供聚焦。

這種設(shè)計(jì)包括一個(gè)由準(zhǔn)直光照射的經(jīng)典平面光柵。入射光通常從光源或狹縫發(fā)散，并由凹面鏡(準(zhǔn)直器)準(zhǔn)直，衍射光由第二凹面鏡(相機(jī))聚焦;見圖6-1。理想情況下，由于光柵是平面的和經(jīng)典的，并且用于準(zhǔn)直入射光，因此不應(yīng)將像差引入衍射波前。在實(shí)踐中，由于經(jīng)常使用球面鏡，像差是由其離軸造成的。

像所有單色儀結(jié)構(gòu)一樣，波長是單獨(dú)成像的。通過旋轉(zhuǎn)光柵來掃描光譜;這使光柵法線相對(duì)于入射光束和衍射光束移動(dòng)，從而改變向第二反射鏡衍射的波長。由于入射到光柵上并由光柵衍射的光是準(zhǔn)直的，對(duì)于每個(gè)波長，光譜在出射狹縫處保持聚焦，因?yàn)橹挥泄鈻趴梢砸氩ㄩL相關(guān)的聚焦特性。

由輔助反射鏡引起的像差包括像散和球面像差(每一個(gè)都由反射鏡相加貢獻(xiàn));與所有凹面鏡幾何形狀一樣，像散隨著反射角的增加而增加。彗星差雖然普遍存在，但可以通過適當(dāng)選擇反射鏡的反射角在一個(gè)波長下消除;由于光柵的畸變(波長相關(guān))切向放大率，其他波長的圖像會(huì)經(jīng)歷更高階的彗差(這只在特殊系統(tǒng)中會(huì)變得麻煩)。

Ebert單色儀

圖6-2 Ebert 結(jié)構(gòu)，一個(gè)凹面鏡取代了Czerny-Turner結(jié)構(gòu)上的兩個(gè)凹面鏡。

這種設(shè)計(jì)是Czerny Turner結(jié)構(gòu)的一種特殊情況，其中一個(gè)相對(duì)較大的凹面鏡同時(shí)用作準(zhǔn)直器和成像鏡(圖6-2)。它的使用是受限的，因?yàn)殡s散光和像差很難控制——后一種效果是由于設(shè)計(jì)中相對(duì)較少的自由度(與Czerny Turner單色儀相比)。這可以通過認(rèn)識(shí)到Ebert單色儀是Czerny Turner單色儀的一種特殊情況來看出，其中兩個(gè)凹面鏡半徑相同，并且它們的曲率中心重合。然而，Ebert結(jié)構(gòu)提供的優(yōu)點(diǎn)是避免了兩個(gè)反射鏡的相對(duì)錯(cuò)位。

Fastie改進(jìn)了Ebert的設(shè)計(jì)，用彎曲的狹縫取代了直的入口和出口狹縫，從而獲得了更高的光譜分辨率。

Monk Gillieson單色儀

圖6-3 Monk-Gillieson結(jié)構(gòu)，平面光柵用于聚光。

在該結(jié)構(gòu)中(見圖6-3)，平面光柵被匯聚光照亮。通常，從入射狹縫(或光纖)發(fā)散的光通過凹面鏡的離軸反射而會(huì)聚(這會(huì)引入像差，因此入射到光柵上的光不是由完美的球面會(huì)聚波前組成的)。光柵對(duì)光線進(jìn)行衍射，光線向出射狹縫會(huì)聚;通過旋轉(zhuǎn)光柵使不同波長聚焦在出射狹縫處或附近來掃描光譜。反射角(來自主鏡)、入射角和衍射角通常很小(從適當(dāng)?shù)谋砻娣ň€測量)，這將像差(尤其是離軸像散)保持在最低限度。

由于入射光沒有被準(zhǔn)直，光柵將波長相關(guān)像差引入衍射波前。因此，當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光譜不能在固定的出射狹縫處保持聚焦(除非該旋轉(zhuǎn)是圍繞從光柵的中心凹槽移位的軸進(jìn)行的)。對(duì)于低分辨率應(yīng)用，Monk Gillieson結(jié)構(gòu)受到一定程度的歡迎，因?yàn)樗砹丝梢韵胂蟮淖詈唵?、最便宜的光譜系統(tǒng)。

Littrow單色儀

圖6-4 Littrow單色儀結(jié)構(gòu)，入口狹縫和出口狹縫分別略高于和略低于色散平面;為了清楚說明，它們被示出為分開的。

Littrow或自準(zhǔn)直配置中使用的光柵將波長為λ的光沿入射光方向衍射回來(圖6-4)。在Littrow單色儀中，通過旋轉(zhuǎn)光柵來掃描光譜;這重新定向了光柵法線，因此入射角α和衍射角β發(fā)生變化(即使對(duì)于所有λ，α=β)。相同的輔助光學(xué)器件既可以用作準(zhǔn)直器也可以用作成像鏡，因?yàn)檠苌涔饩€會(huì)回掃入射光線。通常，入口狹縫和出口狹縫(或圖像平面)將沿著平行于凹槽的方向稍微偏移，使得它們不重合;這通常會(huì)引入平面外像差。True Littrow單色儀在激光調(diào)諧應(yīng)用中非常流行。

雙色和三色單色儀

圖6-5 雙單色儀結(jié)構(gòu)，顯示了兩個(gè)單色儀之間的中間狹縫。

兩個(gè)串聯(lián)使用的單色器結(jié)構(gòu)形成一個(gè)雙單色器。第一個(gè)單色儀的出射狹縫通常用作第二個(gè)單色器的入射狹縫(見圖6-5)，盡管有些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有中間狹縫。帶中間狹縫的雙單色儀中的雜散光比單單色儀低得多：它大約是每個(gè)單色儀的雜散光強(qiáng)度與母線強(qiáng)度之比的乘積。

雙單色儀可以被設(shè)計(jì)為具有相加色散或相減色散。

在加性色散的情況下，整個(gè)系統(tǒng)的倒數(shù)線性色散是每個(gè)單色器倒數(shù)線性色散的總和：即，被第一單色器散射的光譜在通過第二單色器時(shí)進(jìn)一步散射。

在相減色散的情況下，整個(gè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為使得在第二單色儀的出射狹縫處的光譜色散基本上為零。減法色散單色儀的特性是，離開其出射狹縫的光在光譜上是均勻的：所有波長的均勻組合都透射通過中間狹縫，而不是像在單單色儀和加法色散雙單色儀中看到的那樣，具有連續(xù)變化波長的光譜。這種儀器已被用于拉曼光譜系統(tǒng)(其中可以觀察到非常接近激發(fā)激光波長的光譜特征)以及熒光和發(fā)光激發(fā)。

三單色儀結(jié)構(gòu)由三個(gè)串聯(lián)單色儀組成。當(dāng)減少儀器雜散光的要求非?？量虝r(shí)，使用這些結(jié)構(gòu)。

恒定掃描單色儀

絕大多數(shù)單色儀結(jié)構(gòu)都是恒定偏差的：光柵旋轉(zhuǎn)，使不同波長的光在(靜止的)出射狹縫處聚焦。這種結(jié)構(gòu)的實(shí)際優(yōu)點(diǎn)是需要一個(gè)單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，不需要其他移動(dòng)部件，但它的缺點(diǎn)是只在一個(gè)波長下“閃耀”——在其他波長下，入射角和衍射角不滿足閃耀條件：

mλ = d(sinα + sinβ) = 2dsinθB

其中θB是刻面角。

可以考慮的另一種設(shè)計(jì)是恒定掃描單色儀，之所以這么稱，是因?yàn)樵诠鈻欧匠讨校?/p>

mλ=2d cosK sinΦ

保持固定的是掃描角度Φ而不是半偏轉(zhuǎn)角K。在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)掃描波長時(shí)，入口和出口臂的平分線必須與光柵法線保持恒定角度;兩臂之間的角度2K(λ) = α(λ) - β(λ)必須擴(kuò)展和收縮才能改變波長。

審核編輯 黃宇