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2012年二級(jí)注冊(cè)計(jì)量師考試專(zhuān)業(yè)實(shí)務(wù)案例分析32

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注冊(cè)計(jì)量師考試計(jì)量專(zhuān)業(yè)實(shí)務(wù)復(fù)習(xí)講義

光譜儀基礎(chǔ)介紹

光譜分析方法作為一種重要的分析手段,在科研、生產(chǎn)、質(zhì)控等方面都發(fā)揮著極大的作用。無(wú)論是穿透吸收光譜,還是熒光光譜,拉曼光譜,獲得單波長(zhǎng)輻射是不可缺少的手段。由于現(xiàn)代單色儀可具有很寬的光譜范圍(UV-IR),高光譜分辨率(0.001nm),自動(dòng)波長(zhǎng)掃描,完整電腦控制功能,極易和其它周邊設(shè)備配合為高性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),使用電腦自動(dòng)掃描多光柵光譜儀已成為光譜研究的首選。

在光譜學(xué)應(yīng)用中,獲得單波長(zhǎng)輻射是不可缺少的手段。除了用單色光源(如光譜燈、激光器、發(fā)光二極管)、顏色玻璃和干涉濾光片外,大都使用掃描選擇波長(zhǎng)的單色儀。尤其是當(dāng)前更多地應(yīng)用掃描光柵單色儀,在連續(xù)的寬波長(zhǎng)范圍(白光)選出窄光譜(單色或單波長(zhǎng))輻射。

當(dāng)一束復(fù)合光線進(jìn)入光譜儀的入射狹縫,首先由光學(xué)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光,再通過(guò)衍射光柵色散為分開(kāi)的波長(zhǎng)(顏色)。利用不同波長(zhǎng)離開(kāi)光柵的角度不同,由聚焦反射鏡再成像于出射狹縫。通過(guò)電腦控制可精確地改變出射波長(zhǎng)。

光柵基礎(chǔ)

光柵作為重要的分光器件,他的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。為更好協(xié)助用戶(hù)選擇,在此做一簡(jiǎn)要介紹。

光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等??虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂有金屬的表面上機(jī)械刻劃而成;復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成。全息通常包括正弦刻槽。刻劃光柵具有衍射效率高的特點(diǎn),全息光柵光譜范圍廣,雜散光低,且可作到高光譜分辨率。2012年二級(jí)注冊(cè)計(jì)量師考試

光柵方程

反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽,一系列平行刻槽的間隔與波長(zhǎng)相當(dāng),光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對(duì)某波長(zhǎng),在大多數(shù)方向消失,只在一定的有限方向出現(xiàn),這些方向確定了衍射級(jí)次。如圖1所示,光柵刻槽垂直輻射入射平面,輻射與光柵法線入射角為α,衍射角為β,衍射級(jí)次為m,d為刻槽間距,在下述條件下得到干涉的極大值:

mλ=d(sinα+sinβ)

定義φ為入射光線與衍射光線夾角的一半,即φ=(α-β)/2;θ為相對(duì)與零級(jí)光譜位置的光柵角,即θ=(α+β)/2,得到更方便的光柵方程:

mλ=2dcosφsinθ

從該光柵方程可看出:

對(duì)一給定方向β,可以有幾個(gè)波長(zhǎng)與級(jí)次m相對(duì)應(yīng)λ滿(mǎn)足光柵方程。比如600nm的一級(jí)輻射和300nm的二級(jí)輻射、200nm的三級(jí)輻射有相同的衍射角。

衍射級(jí)次m可正可負(fù)。

對(duì)相同級(jí)次的多波長(zhǎng)在不同的β分布開(kāi)。

含多波長(zhǎng)的輻射方向固定,旋轉(zhuǎn)光柵,改變α,則在α+β不變的方向得到不同的波長(zhǎng)。

如何選擇光柵

選擇光柵主要考慮如下因素:

刻槽密度G=1/d,d是刻槽間隔,單位為mm。

閃耀波長(zhǎng)

閃耀波長(zhǎng)為光柵最大衍射效率點(diǎn),因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長(zhǎng)在實(shí)際需要波長(zhǎng)附近。如實(shí)際應(yīng)用在可見(jiàn)光范圍,可選擇閃耀波長(zhǎng)為500nm。

光柵刻線

光柵刻線多少直接關(guān)系到光譜分辨率,刻線多光譜分辨率高,刻線少光譜覆蓋范圍寬,兩者要根據(jù)實(shí)驗(yàn)靈活選擇。

光柵效率

光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高,信號(hào)損失愈小。為提高此效率,除提高光柵制作工藝外,還采用特殊鍍膜,提高反射效率。

光柵光譜儀重要參數(shù):

分辨率(resolution)

光柵光譜儀的分辨率R是分開(kāi)兩條臨近譜線能力的度量,根據(jù)瑞利判據(jù)為:

R==λ/Δλ

光柵光譜儀有實(shí)際意義的定義是測(cè)量單個(gè)譜線的半高寬(FWHM)。實(shí)際上,分辨率依賴(lài)于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長(zhǎng)、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其它參數(shù)等。

R∝M.F/W

M--光柵線數(shù) F--譜儀焦距 W--狹縫寬度

色散

光柵光譜儀的色散決定其分開(kāi)波長(zhǎng)的能力。光譜儀的倒線色散可計(jì)算得到:沿單色儀的焦平面改變距離χ引起波長(zhǎng)λ的變化,即:

Δλ/Δχ=dcosβ/nF

這里d、β、F分別是光柵刻槽的間距、衍射角和系統(tǒng)的有效焦距,n為衍射級(jí)次。由方程可見(jiàn),倒線色散不是常數(shù),它隨波長(zhǎng)變化。在所用波長(zhǎng)范圍內(nèi),改變化可能超過(guò)2倍。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),在本樣本中,用1200 l/mm光柵色散的中間值(典型的為435.8nm)時(shí)的倒線色散。

帶寬

帶寬是忽略光學(xué)像差、衍射、掃描方法、探測(cè)器像素寬度、狹縫高度和照明均勻性等,在給定波長(zhǎng),從光譜儀輸出的波長(zhǎng)寬度。它是倒線色散和狹縫寬度的乘積。例如,單色儀狹縫為0.2mm,光柵倒線色散為2.7nm/mm,則帶寬為2.7*0.2=0.54nm。

波長(zhǎng)精度、重復(fù)性和準(zhǔn)確度

波長(zhǎng)精度是光譜儀確定波長(zhǎng)的刻度等級(jí),單位為nm。通常,波長(zhǎng)精度隨波長(zhǎng)變化,本樣本中為最壞的情況。

波長(zhǎng)重復(fù)性是光譜儀設(shè)定一個(gè)波長(zhǎng)后,改變?cè)O(shè)定,再返回原波長(zhǎng)的能力。這體現(xiàn)了波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械和整個(gè)儀器的穩(wěn)定性。卓立漢光的光譜儀的波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械穩(wěn)定性極佳,其重復(fù)性超過(guò)了波長(zhǎng)精度。

波長(zhǎng)準(zhǔn)確度是光譜儀設(shè)定波長(zhǎng)與實(shí)際波長(zhǎng)的差別。每臺(tái)單色儀都要在很多波長(zhǎng)檢查波長(zhǎng)準(zhǔn)確度。

F/#

F/#定義為光譜儀的直徑與焦距的比值。這是對(duì)光譜儀接收角的度量,這是調(diào)整單色儀與光源及探測(cè)器耦合的重要參數(shù)。當(dāng)F/#匹配時(shí),可用上光譜儀的全部孔徑。但是大多數(shù)單色儀應(yīng)用長(zhǎng)方形光學(xué)部件。這里F/#定義為光譜儀的等效直徑與焦距的比值,長(zhǎng)方形光學(xué)件的等效直徑是具有相同面積的園的直徑。

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