棱镜式光谱仪简介.pptx

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1、棱镜式光谱仪简介主讲人：陈胜S13090924光谱仪器光谱仪器是光电仪器的重要组成部分。它是用光学原理，对物质的结构和成份等进行测量、分析和处理的基本设备，具有分析精度高、测量范围大，速度快等优点。它广泛应用于冶金、地质、石油、化工、医药卫生、环境保护等部门；也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备。根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪。根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。棱镜光谱仪是利用棱镜的色散作用，将非

2、单色光按波长分开的装置。其结构的主要部分为棱镜前的平行光管、棱镜和棱镜后的望远物镜L2。棱镜前的平行光管，是由一会聚透镜L1和放在它第一焦面的狭缝S所组成。当非单色光照射狭缝后，经平行光管产生非单色的平行光束。这些非单色平行光束通过棱镜后，不同波长的平行光束经过折射后，方向不同。再经过棱镜后的望远物镜L2，不同方向（即不同波长）的平行光束，会聚到望远物镜后焦面上的不同地方，形成一系列离散的不同波长的狭缝像，这便是光谱。若光谱仪中的望远物镜后，再装上一目镜，用以直接观察光谱，此种光谱仪就称为分光镜。若在望远

3、物镜的后焦面上，放一狭缝，将某种波长的光分离开来，则称为单色仪。若在望远物镜的后焦面上，放一暗盒，把不同波长的狭缝像拍摄下来，则称为棱镜摄谱仪。一.光谱棱镜的分光原理1.棱镜色散公式1665年牛顿发现了光的色散现象，他令一束平行的白光通过一块玻璃棱镜，在棱镜后的屏幕上得到一条彩色光带。这就是最原始的色散模型。如图1－1所示是通光棱镜主截面的光路图。它是一个顶角为α的等腰三角形棱镜。光束的入射方向和出射方向的夹角θ为偏向角。折射定律为n0Sini1=nSini1'n0Sini2'=nSini2-------

4、---(1)n0ni1i1'i2θαi2'α图1－1如果棱镜置于空气中，n0≈1，则（1）式为Sini1=nSini1'Sini2'=nSini2----------(2)如图可见α=i1'+i2----------(3)θ=（i1-i1'）+（i2'-i2）=i1+i2'-(i1'+i2)=i1+i2'-α----------(4)将折射角与入射角的关系式（2）代入上式得:由（5）式可见，对于α角已定的光谱棱镜，当入射角i1不变时，偏向角θ是折射率n的函数。又因为n是波长λ的函数，所以θ随波长的不同而不

5、同。一束白光经棱镜后，各波长对应的偏向角θ不同，即在空间上被分解开来,如图1－2所示:----------(5)一般λ↓、n↑、θ↑2.最小偏向角条件函数有一个最小值将⑷式对微分最小偏向角的必要条件是则总之：由上式可见，只有当时，上式才成立。在时，有＞0。所以上述条件，也是实现最小偏向角的充分条件。二、光谱棱镜的基本特性1.角色散率不同波长的单色光经过棱镜后有不同的偏向角θ，称为棱镜角色散率。角色散率是棱镜材料的色散率，它表示介质的折射率随波长的变化程度。2.光谱棱镜的分辨率两条谱线波长的平均数与这两条刚

6、好能分辨开的谱线之间的波长差之比，成为光谱棱镜的分辨率，即设含有两个波长（其波长差为dλ）的一束平行光,以满足最小偏向角条件(i2’=i1)通过图1-4所示棱镜，经色散后，其角距离为：由棱镜矩孔衍射所决定的最小分辨角为：要能分开两个波长的光束，根据瑞利判据分辨率：要增大棱镜的分辨率，可以增大棱镜底边长度t，选用介质色散率大的材料。两边除以dλ得：光谱仪应用光谱仪应用很广，在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、喇曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生

7、物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域应用广泛。谢谢！