1、1Laser spectroscopy and its application 第一節(jié)第一節(jié) ： 光柵光譜儀光柵光譜儀第二節(jié)：第二節(jié)： 干涉儀干涉儀第三節(jié)：第三節(jié)： 信號與噪聲信號與噪聲第四節(jié)：第四節(jié)： 光電探測器光電探測器第五節(jié)：第五節(jié)： 鎖相放大器鎖相放大器第六節(jié)：第六節(jié)： 取樣平均器（取樣平均器（BOXCARBOXCAR）第七節(jié)：第七節(jié)： 單光子計數(shù)器單光子計數(shù)器第八節(jié)：第八節(jié)： 光學(xué)多通道分析儀光學(xué)多通道分析儀Laser spectroscopy and its application2Laser spectroscopy and its application3 光譜儀是研究物質(zhì)對光

2、的吸收與發(fā)射，光與物質(zhì)光譜儀是研究物質(zhì)對光的吸收與發(fā)射，光與物質(zhì)相互作用的基本設(shè)備。它的相互作用的基本設(shè)備。它的任務(wù)是分光任務(wù)是分光，即將包含多，即將包含多種波長的種波長的復(fù)合光以波長復(fù)合光以波長(或頻率或頻率)進(jìn)行分解進(jìn)行分解。通過分解。通過分解不同波長光強(qiáng)分布以波長不同波長光強(qiáng)分布以波長(或頻率或頻率)為坐標(biāo)進(jìn)行排列。為坐標(biāo)進(jìn)行排列。按采用的色散元件不同，傳統(tǒng)光譜儀分為按采用的色散元件不同，傳統(tǒng)光譜儀分為棱鏡光譜棱鏡光譜儀和光柵光譜儀。儀和光柵光譜儀。光柵的光譜儀具有復(fù)蓋波段寬，分辯率高的特點，光柵的光譜儀具有復(fù)蓋波段寬，分辯率高的特點，隨著閃耀光柵的出現(xiàn)，光柵光譜儀逐漸取代了棱鏡光隨著閃

3、耀光柵的出現(xiàn)，光柵光譜儀逐漸取代了棱鏡光譜儀，成為一種最常用的光譜儀。譜儀，成為一種最常用的光譜儀。光譜儀器4分光系統(tǒng)棱鏡攝譜儀光柵單色儀5棱鏡分光最佳工作狀態(tài)：棱鏡處于最小的偏向角sinsin22n222sin21sin2ddnddn色散率2112ddnddno=60當(dāng)時第二節(jié)第二節(jié) 棱鏡光譜儀棱鏡光譜儀角色散6棱鏡分光222sin21sin2ddnddn結(jié)論：結(jié)論：棱角的角色散隨著棱鏡角棱角的角色散隨著棱鏡角 和折射率和折射率n n的增大而增大；的增大而增大；為了獲為了獲得較大的角色散，盡量選擇折射率大的材料得較大的角色散，盡量選擇折射率大的材料7棱鏡分光色散分光系統(tǒng)的光譜分辨率：H222

4、sin21sin2dndnLaser spectroscopy and its application8瑞利準(zhǔn)則瑞利準(zhǔn)則表示光學(xué)儀器的角分辨度,衍射限制了空間分辨度。經(jīng)過狹縫的光波干涉，形成愛里衍射致圖像模糊。圓孔衍射的光強(qiáng)可寫成： 由于J1(3.83)=0；sin=1.220/(2R)?？臻g分辨度(spatial resolution)：單鏡望遠(yuǎn)鏡最小能觀察到的物件的直徑是l=1.220f/(2R)。 1022sin2sinJRIIRLaser spectroscopy and its application9201sin/ 22sin/ 2ndllt / a 第一級衍射極小第一級衍射極小瑞

5、利準(zhǔn)則瑞利準(zhǔn)則0/dnHtd結(jié)論：分辨率僅僅與棱鏡結(jié)論：分辨率僅僅與棱鏡底寬和材料的色散率有關(guān)底寬和材料的色散率有關(guān)222sin21sin2dndn條條件件為為矩矩形形孔孔時時dlfdLaser spectroscopy and its application1011棱鏡分光 為了提高總的色散率，有時系統(tǒng)采用多個棱鏡組組成分光系統(tǒng)：222sin21sin2NdddnNNdddn12棱鏡分光棱鏡分光小結(jié)棱鏡分光小結(jié)角色散率角色散率分辨率分辨率0/dnHtd222sin21sin2ddnddn第二節(jié)第二節(jié) 光柵光譜儀光柵光譜儀1. 光柵構(gòu)形光柵構(gòu)形 光柵光柵:在一塊板上制作許多與光的波長可比擬的等

6、距平行刻槽。在一塊板上制作許多與光的波長可比擬的等距平行刻槽。 13Laser spectroscopy and its application光柵光柵透射式透射式反射式反射式平面光柵平面光柵閃爍光柵閃爍光柵全息光柵全息光柵第二節(jié)第二節(jié) 光柵光譜儀光柵光譜儀1. 1. 光柵構(gòu)形光柵構(gòu)形圖圖2-1 平面反射光柵示意圖平面反射光柵示意圖14Laser spectroscopy and its application(sinsin)d 當(dāng)當(dāng)一束平行光束以入射角一束平行光束以入射角入射到光柵上時，從相鄰兩刻槽入射到光柵上時，從相鄰兩刻槽上衍射出來的兩平行光束之間的光程差上衍射出來的兩平行光束之間的光程

7、差為為注意符號：注意符號：入射角入射角與衍射角與衍射角在法線同側(cè)取正號，異側(cè)取負(fù)號在法線同側(cè)取正號，異側(cè)取負(fù)號入射角衍射角刻線間距光柵常數(shù)光柵常數(shù)15Laser spectroscopy and its application光柵刻槽制作光柵刻槽制作Laser spectroscopy and its application16光柵刻槽制光柵刻槽制作作連續(xù)多天制連續(xù)多天制作母光柵作母光柵依據(jù)母光柵依據(jù)母光柵復(fù)制復(fù)制工藝極其復(fù)雜的精密加工過程工藝極其復(fù)雜的精密加工過程在制作中的周期性在制作中的周期性誤差會引起假譜線，誤差會引起假譜線，即所謂即所謂鬼線鬼線。 近年用近年用激光全息術(shù)微電子技術(shù)制成的

8、全息光柵，激光全息術(shù)微電子技術(shù)制成的全息光柵，以其優(yōu)良的性能和簡單的工藝，已逐步取代傳統(tǒng)的刻以其優(yōu)良的性能和簡單的工藝，已逐步取代傳統(tǒng)的刻劃光柵。劃光柵。全息光柵的刻槽近似正弦形，只有全息光柵的刻槽近似正弦形，只有0級和級和1級級光譜，它沒有級的重迭問題光譜，它沒有級的重迭問題。在在2/3 /d2/d，將，將= 0 + 代入光柵代入光柵方程，利用三角關(guān)系式，方程，利用三角關(guān)系式，00000cossinsincoscossin)sin(md2sin)/2(00cos)/(22dm1衍射光的強(qiáng)度分布衍射光的強(qiáng)度分布: 2202sin/ 2/ 2RIRNI NNLaser spectroscopy

9、and its application23 2202sin/ 2/ 2RIRNI NN01,20/ 2/cos2/cosNN dNNd 0/cosNd)cos/(202, 1NdN0/(cos)Nd結(jié)論結(jié)論：1、在、在0的中心極大值的兩邊的兩個最近的的中心極大值的兩邊的兩個最近的極小值是位置為：極小值是位置為：2、第、第m階的中心極大的半角寬度為階的中心極大的半角寬度為 3、 隨著刻槽線數(shù)隨著刻槽線數(shù)N的增加，中心極大值的強(qiáng)的增加，中心極大值的強(qiáng)度迅速增加，而半角寬度度迅速增加，而半角寬度則越來越小。則越來越小。 24Laser spectroscopy and its application

10、(1) 色散：色散：描述經(jīng)分光后不同波長的光線的分開程度 結(jié)論一：角色散結(jié)論一：角色散率率單位為單位為rad/mm，角色散率與衍射級次角色散率與衍射級次m成正比成正比，與光柵常數(shù)與光柵常數(shù)d和和cos成反比，并且近似與波長成反比成反比，并且近似與波長成反比。微分3. 光柵特性光柵特性Laser spectroscopy and its application25(sinsin)mdsinsincosscodddm結(jié)論二：表明結(jié)論二：表明角色散只和角色散只和與與有關(guān)有關(guān)，與，與刻槽的數(shù)目無關(guān)?？滩鄣臄?shù)目無關(guān)。26Laser spectroscopy and its application對于給定

11、的光譜級次，在光柵的法線方向處對于給定的光譜級次，在光柵的法線方向處(=0附近附近)的角的角色散最小，離法線越遠(yuǎn)，角色散率越大。在光柵的法線方向附色散最小，離法線越遠(yuǎn)，角色散率越大。在光柵的法線方向附近，近， cos近于近于1，這時的角色散率，這時的角色散率d/d=m/d，表明在衍射角，表明在衍射角較小時，角色散率幾乎不隨波長而變。較小時，角色散率幾乎不隨波長而變。sinscinosdd(sinsin)mdLaser spectroscopy and its application27色散還常用色散還常用線色散率線色散率Dl表示：波長差為表示：波長差為的兩條光的兩條光譜線在譜儀的成象平面上兩個

12、象之間的分開距離，譜線在譜儀的成象平面上兩個象之間的分開距離，其單位為其單位為mm/nm。cos dmfddfddlDl因此，線色散率因此，線色散率Dl正比于聚焦成象系統(tǒng)的焦距和角色散率的正比于聚焦成象系統(tǒng)的焦距和角色散率的大小。實際工作中還常用到大小。實際工作中還常用到線色散的倒數(shù)線色散的倒數(shù)d/dl，其單位，其單位nm/mm，其數(shù)值越小，儀器的色散率越大。，其數(shù)值越小，儀器的色散率越大。H 指指分辨兩條非常接近的譜線的能力。設(shè)分辨兩條非常接近的譜線的能力。設(shè)和和+的兩條譜線恰好能被分辨，則分辨本領(lǐng)的兩條譜線恰好能被分辨，則分辨本領(lǐng)H為為(2) 分辨本領(lǐng)分辨本領(lǐng)Laser spectrosc

13、opy and its application28Laser spectroscopy and its application29 光柵光柵的分辨本領(lǐng)常按的分辨本領(lǐng)常按瑞利準(zhǔn)則瑞利準(zhǔn)則來定義。根據(jù)瑞利來定義。根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，如果兩條強(qiáng)度相等、波長差為準(zhǔn)則，如果兩條強(qiáng)度相等、波長差為的譜線被的譜線被光柵光柵分開的角距分開的角距d正好等于光柵衍射后每一條譜線的角距正好等于光柵衍射后每一條譜線的角距d，這時一條譜線的極大值正好落在另一條譜線的極，這時一條譜線的極大值正好落在另一條譜線的極小值上，則認(rèn)為這兩條譜線是可以分辯的。小值上，則認(rèn)為這兩條譜線是可以分辯的。圖圖2-3 瑞利準(zhǔn)則示意圖瑞利準(zhǔn)則示意圖

14、經(jīng)光柵色散后，波長差為經(jīng)光柵色散后，波長差為的兩譜線分開的角距為的兩譜線分開的角距為30Laser spectroscopy and its application cosN d根據(jù)矩孔衍射理論，光柵衍射后每一條譜線的角半根據(jù)矩孔衍射理論，光柵衍射后每一條譜線的角半寬度為：寬度為：(sinsin)mdcosmddcosdmdd cosN d應(yīng)用瑞利判據(jù)和條件應(yīng)用瑞利判據(jù)和條件(d/d)=/(Ndcos)得得HmN光柵的光柵的光譜分辯本領(lǐng)是衍射級次與刻槽的總數(shù)光譜分辯本領(lǐng)是衍射級次與刻槽的總數(shù)N N的乘積的乘積31Laser spectroscopy and its application基本帶

15、寬基本帶寬角色散率角色散率d (3) 光譜迭級和自由光譜區(qū)光譜迭級和自由光譜區(qū)Laser spectroscopy and its application32 問題問題：當(dāng)不同級次與對應(yīng)波長的乘積相等時，：當(dāng)不同級次與對應(yīng)波長的乘積相等時，即 乘 積即 乘 積 m 可 以 有 不 同 的可 以 有 不 同 的 m 與與 相 乘 而 的 得 ，相 乘 而 的 得 ，m11=m22= m33這時將出現(xiàn)光譜重迭。光譜級次這時將出現(xiàn)光譜重迭。光譜級次用得越高，產(chǎn)生的迭級越嚴(yán)重。用得越高，產(chǎn)生的迭級越嚴(yán)重。(sinsin)md(3) 光譜迭級和自由光譜區(qū)光譜迭級和自由光譜區(qū)Laser spectrosc

16、opy and its application33 設(shè)設(shè)波長波長的第的第m+1級與另一波長級與另一波長+的第的第m級在級在某一位置重迭某一位置重迭(m+1) =m(+)通常將沒有迭級的區(qū)通常將沒有迭級的區(qū)域稱為域稱為自由光譜區(qū)自由光譜區(qū)。()(1/)mmm在光譜儀中，光譜級次的重迭與互相交錯不利于光在光譜儀中，光譜級次的重迭與互相交錯不利于光譜的測量，甚至?xí)鸸庾V分析的錯誤，應(yīng)設(shè)法避免譜的測量，甚至?xí)鸸庾V分析的錯誤，應(yīng)設(shè)法避免，經(jīng)常采用的方法有：，經(jīng)常采用的方法有：(1)用濾光片濾去不需要的光譜級次；用濾光片濾去不需要的光譜級次；(2)用棱鏡或光柵作預(yù)置色散，使它的色散方向垂直用棱鏡或光

17、柵作預(yù)置色散，使它的色散方向垂直于主儀器的色散方向，使不同級次的光譜沿高度方向于主儀器的色散方向，使不同級次的光譜沿高度方向拉開，達(dá)到分離光譜的目的。拉開，達(dá)到分離光譜的目的。 34Laser spectroscopy and its application2sin)(uuRsin2su光柵的衍射光的強(qiáng)度分布實際上是光柵的衍射光的強(qiáng)度分布實際上是N個槽面的衍射光個槽面的衍射光相干涉的結(jié)果。相干涉的結(jié)果。R()與槽面寬度與槽面寬度s有關(guān)，每一槽面的衍有關(guān)，每一槽面的衍射等同于相同寬度的單縫衍射。根據(jù)寬度為射等同于相同寬度的單縫衍射。根據(jù)寬度為s的單縫光的單縫光強(qiáng)分布，正入射情況下有強(qiáng)分布，正入射

18、情況下有:220)2/sin()2/sin(sinNuuRIIR4 閃耀光柵閃耀光柵Laser spectroscopy and its application35平面光柵項調(diào)制項光柵的光強(qiáng)分布 a-平面光柵，b-閃耀光柵結(jié)論：平面光柵零級衍射的能量最大，隨結(jié)論：平面光柵零級衍射的能量最大，隨著衍射級次的增高，衍射能量逐漸減少。著衍射級次的增高，衍射能量逐漸減少。而在而在(sinu/u)2=0處，主極大值變?yōu)榱闾?，主極大值變?yōu)榱?稱為稱為缺級缺級)。由于零級衍射沒有色散，對分光。由于零級衍射沒有色散，對分光無用，而色散高的二級、三級等強(qiáng)度較低無用，而色散高的二級、三級等強(qiáng)度較低，不利于使用光柵

19、色散大的高級次。，不利于使用光柵色散大的高級次。為了解決衍射能量的利用問題，現(xiàn)代光譜為了解決衍射能量的利用問題，現(xiàn)代光譜儀中經(jīng)常采用閃耀光柵。它可使最大衍射儀中經(jīng)常采用閃耀光柵。它可使最大衍射能量集中在所需的級次上。能量集中在所需的級次上。36Laser spectroscopy and its application缺級光柵的閃耀角示意圖平面平面光柵的光柵法線與每個光柵的光柵法線與每個刻槽面的法線是一致刻槽面的法線是一致的；的；閃耀光閃耀光柵柵:刻槽面法線將與光柵法線成刻槽面法線將與光柵法線成角角。因此因此反射系數(shù)反射系數(shù)R()就與刻槽就與刻槽傾斜角傾斜角有關(guān)。與平面光柵一樣有關(guān)。與平面光柵

20、一樣，衍射光強(qiáng)分布的干涉因子未變，衍射光強(qiáng)分布的干涉因子未變，仍為，仍為(sin(N/2)/sin(/2)2，但單，但單縫衍射因子的極大值位置出現(xiàn)了縫衍射因子的極大值位置出現(xiàn)了變化。變化。37Laser spectroscopy and its applicationsin2su閃耀光柵也稱為定向光柵閃耀光柵也稱為定向光柵，它的每個刻槽面與光柵平它的每個刻槽面與光柵平面成一定的角度面成一定的角度。例：設(shè)例：設(shè)槽面的鏡面入射角為槽面的鏡面入射角為i，反射角為，反射角為r，當(dāng)衍當(dāng)衍射角射角與與r相重合時，相重合時，R(,)達(dá)最大值達(dá)最大值。在鏡面反射。在鏡面反射的情況的情況下閃耀角下閃耀角條件條件

21、2/ )(38Laser spectroscopy and its applicationirir由光波的衍射特性可知，由每個刻槽傳出的衍射波分布在由光波的衍射特性可知，由每個刻槽傳出的衍射波分布在一個一定大小的衍射角度內(nèi)，因此一個一定大小的衍射角度內(nèi)，因此R()也是圍繞著衍射角也是圍繞著衍射角=-2為中心的最大值兩側(cè)有一個較寬的分布。因此反射光強(qiáng)分布為中心的最大值兩側(cè)有一個較寬的分布。因此反射光強(qiáng)分布I()也將受到也將受到R()分布的調(diào)制，分布的調(diào)制， R()為最大值時最大，為最大值時最大， R()減減小時也下降。在該圖中，中心極大現(xiàn)在已不是在零級，而是移小時也下降。在該圖中，中心極大現(xiàn)在已

22、不是在零級，而是移到了到了m =2的二級光譜上了。的二級光譜上了。39Laser spectroscopy and its application2/ )(2sin2dmb與閃耀角與閃耀角對應(yīng)的波長稱為閃耀波長對應(yīng)的波長稱為閃耀波長b,這時有：這時有：40Laser spectroscopy and its applicationLaser spectroscopy and its application41在在閃耀方向上，閃耀波長閃耀方向上，閃耀波長b的光強(qiáng)可以達(dá)到入射的光強(qiáng)可以達(dá)到入射光強(qiáng)的光強(qiáng)的80%。由于單縫衍射函數(shù)是緩變函數(shù)，因而。由于單縫衍射函數(shù)是緩變函數(shù)，因而在閃耀波長在閃耀波長

23、b兩旁的光譜線強(qiáng)度也得到了加強(qiáng)。通兩旁的光譜線強(qiáng)度也得到了加強(qiáng)。通常，常，閃耀光柵使用的波長范圍在閃耀光柵使用的波長范圍在(2/3-2) b，超過此，超過此范圍，譜線強(qiáng)度將變?nèi)?。與一般光柵一樣，閃耀光范圍，譜線強(qiáng)度將變?nèi)?。與一般光柵一樣，閃耀光柵也存在譜線重迭問題。柵也存在譜線重迭問題。按工作的光譜范圍來分，單色儀有分可見、紫外和紅外三類按工作的光譜范圍來分，單色儀有分可見、紫外和紅外三類.5 光柵單色儀光柵單色儀反射式平面光柵單色儀光路圖42Laser spectroscopy and its application光柵光柵G將入射光色散成許多平行的單色光到將入射光色散成許多平行的單色光到M

24、3，單色光會，單色光會聚。當(dāng)光柵聚。當(dāng)光柵G繞其轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動時，在出射狹縫處可以得到繞其轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動時，在出射狹縫處可以得到不同波長的出射光束。不同波長的出射光束。切爾尼切爾尼-吐奈爾吐奈爾(Czerny-Turner)光柵單色儀光柵單色儀反射式平面光柵單色儀光路圖反射式平面光柵單色儀光路圖43Laser spectroscopy and its application反射光柵反射光柵入射狹縫處在入射狹縫處在凹面反射鏡凹面反射鏡M2的焦平面上的焦平面上反射鏡反射鏡反射鏡反射鏡入射狹縫處在入射狹縫處在凹面反射鏡凹面反射鏡M3的焦平面上的焦平面上Laser spectroscopy and its

25、 application44在單色儀的出射光中往往含有雜散光，在單色儀的出射光中往往含有雜散光，影響測量精度影響測量精度的重要因素，它使信噪比降低，一些弱譜線檢測不到。的重要因素，它使信噪比降低，一些弱譜線檢測不到。例如對喇曼光譜線的測量，喇曼光譜線的強(qiáng)度只有激發(fā)例如對喇曼光譜線的測量，喇曼光譜線的強(qiáng)度只有激發(fā)光強(qiáng)的光強(qiáng)的10-7，而且與激發(fā)光波長又靠得很近，如激發(fā)，而且與激發(fā)光波長又靠得很近，如激發(fā)光在出射光中很強(qiáng)，就很難檢測到喇曼光譜線，這光在出射光中很強(qiáng)，就很難檢測到喇曼光譜線，這種混入進(jìn)來的激發(fā)光成為了雜散光。種混入進(jìn)來的激發(fā)光成為了雜散光。雜散光的雜散光的來源來源有兩個：有兩個：儀器

26、本身的漫射光，如光柵的夫朗和費衍射產(chǎn)生的散射儀器本身的漫射光，如光柵的夫朗和費衍射產(chǎn)生的散射光、光柵裝置沒有消除的二次衍射及多次衍射光、光學(xué)元光、光柵裝置沒有消除的二次衍射及多次衍射光、光學(xué)元件表面不平度和表面灰塵引起的漫射等；件表面不平度和表面灰塵引起的漫射等；光源照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)不當(dāng)引起的散射光，如一部分入射光光源照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)不當(dāng)引起的散射光，如一部分入射光照射到器壁上而引起的散射。照射到器壁上而引起的散射。減小雜散光的辦法除正確的調(diào)整儀器以外，可以采用合減小雜散光的辦法除正確的調(diào)整儀器以外，可以采用合適的濾光片來解決，但是適的濾光片來解決，但是最好的方法是采用雙單色儀最好的方法是采用雙單色儀。45Laser spectroscopy and its application雙單色儀是把兩個單色儀組成整體使用。第一個單雙單色儀是把兩個單色儀組成整體使用。第一個單色儀的出射狹縫即為第二臺單色儀入射狹