棱镜单色仪与光栅单色仪研究+文献综述(4)
2 单色仪原理与结构
单色仪是一种常用的分光仪器，适用于单色光的产生、光谱分析和光谱特征性测量等方面。单色仪能输出一系列独立的、光谱区间足够狭窄的单色光，且所输出单色光的波长可以根据要求连续调节，单色仪有多种，从不同的角度对它有不同的分类，如按物镜的形成可分为透射式单色仪和反射式单色仪，按色散元件可分为棱镜单色仪和光栅单色仪
2.1 棱镜单色仪
2.1.1 单色仪基本结构
本课题使用的是国产WDF型反射式棱镜单色仪，光路见图2.1.1
图2.11 棱镜单色仪光路图
光学系统主要由三部分组成：
(1) 入射准直部分：由入射狭缝S1和准直凹面反射镜M1组成。
(2) 色散系统；这种单色仪采用“瓦茨沃尔脱”的色散装置，由平面反射镜M2与三棱镜P固定在一起组成的，转动轴O的位置在三冷静底边的中点上，在转动过程中，平面镜与三棱镜的相对位置保持不便，它们一块绕轴O转动，可证明这种设计能保证在转动色散系统时，只有“以最小偏向角通过棱镜的那种波长的光”才能从狭缝S2射出，色散棱镜用ZF-1（重火石）玻璃制成，适用波段为370～700nm。
(3) 出射聚光系统：由聚焦凹面反射镜M3及出射狭缝S2组成。由光源发出的光经透镜L照亮入射狭缝S1，进入S1后投向准直镜M1，，经M1反射后成为平行光投向平面反射镜M2，M2分设后仍为平行光射向棱镜P，由于棱镜的色散作用，经棱镜折射后，成为不同方向的平行光，各种不同波长的光束方向各不相同，相同波长的一组平行光束沿着自己的方向进行，射到聚焦镜。M3上经反射后会聚成一个缝像，各种不同波长光的缝像依次排列M3的焦面上，出射狭缝S2就位于这个曲面上，于是落在S2处的单色光就从狭缝射出。
在仪器的底部有读数鼓轮，它与万向接头转动杆及把手相连，当转动把手时，棱镜就转动，鼓轮的读数反映了棱镜转动后的位置，从而也反映了出射光的波长，鼓轮旁有反光镜，用小灯照明鼓轮，从反光镜中便可读数，读取数据前应认清鼓轮刻度分划的情况[3]。
2.1.2 单色仪的标定
鼓轮读数R与出射光的波长λ有一一对应的关系，R为纵轴坐标、λ为横轴坐标，画出R-λ曲线，称为单色仪的校准曲线，单色仪出厂时虽附有R与λ数据的对照表，但经过长期使用或运输后会有偏离，需要重新标定，作出校准曲线，此后由鼓轮读数就可以得知出射光的波长。
标定单色仪的方法是：用一些波长已知、谱线宽度较窄的光照亮入射狭缝S1，让这些光按波长顺序依次出射狭缝S2射出，读出相应的鼓轮读数R，从而得到R与λ的对应关系，在可见光波段，汞灯、钠灯、氢灯、氦灯等均可作为波长已知的光源，为获得较多的数拒点，常需选用一组光源来标定[4]。
2.2 光栅单色仪
2.2.1 光栅单色仪原理
S1：入射狭缝 S2：出射狭缝 M1：离轴抛物镜
G：闪耀光栅 M2：反光镜
图2.2.1 光栅单色仪的结构和原理
仪器原理如图2.2.1 ，光源或照明系统发出的光束均匀地照亮在入射狭缝S1上，S1位于离轴抛物镜的焦平面上，光通过M1变成平行光照射到光栅上，再经过光栅衍射返回到M1，经过M2会聚到出射狭缝S2，由于光栅的分光作用，从S2出射的光为单色光。当光栅转动时，从S2出射的光由短波到长波依次出现[4]。
2.2.2 分光部件原理
本仪器光学系统为李特洛式光学系统，这种系统结构简单、尺寸小、象差小、分辨率高。更换光栅方便。光栅单色仪的核心部件是闪耀光栅，闪耀光栅是以磨光的金属板或镀上金属膜的玻璃板为坯子，用劈形钻石尖刀在其上面刻画出一系列锯齿状的槽面形成的光栅（注1：由于光栅的机械加工要求很高，所以一般使用的光栅是由该光栅复制的光栅），它可以将单缝衍射因子的中央主极大移至多缝干涉因子的较高级位置上去。因为多缝干涉因子的高级项（零级无色散）是有色散的，而单缝衍射因子的中央主极大集中了光的大部分能量，这样做可以大大提高光栅的衍射效率[6]，从而提高了测量的信噪比
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