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单色仪(可用作波长定标)

已有 10100 次阅读 2012-12-4 16:51 |系统分类:科研笔记

 

从一束电磁辐射中分离出波长范围极窄单色光的仪器。单色仪是一种常用的分光仪器,利用色散元件把复色光分解为准单色光,能输出一些了独立的、光谱取件足够窄的单色光。单色仪主要用于光谱分析和光谱特性的研究,如测量介质的光谱透射率曲线、光谱的光谱能量分布、光电探测器的光谱响应等。栅单色仪比较应用广泛。在科研、生产、质控等环节。无论是穿透吸收光谱,还是荧光光谱,拉曼光谱,如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围(UV- IR),高光谱分辨率(到0.001nm,自动波长扫描,完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统,使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。

遥感科学国家重点实验室的单色仪为DM-201i,主要由单色仪、450W氙灯、250W卤素灯、计算机和控制软件组成。可以通过计算机软件控制输出的波长。

 

简介

形成阶段:1666年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。1814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线(夫琅和费谱线)。

研究室和应用阶段:1860年克希霍夫和本生为研究金属光谱设计成较完善的现光谱仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的,人们开始研究光栅光谱仪。

光栅与棱镜相比

棱镜的工作光谱区受到材料的限制(光的波长小于120nm,大于50mm时不能用)

光栅的角色散率与波长无关,棱镜的角色散率与波长有关。

棱镜的尺寸越大分辨率越高,但制造越困难,同样分辨率的光栅重量轻,制造容易。

光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。

光栅存在鬼线(由于刻划误差造成)而棱镜没有。

由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围(UV- IR),高光谱分辨率(到0.001nm,自动波长扫描,完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统,使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。

应用领域

单色仪广泛地用于研究材料的光学作用、光源特性、光电效应等许多方面。在光栅制造方面,单色仪可以用来检查光栅的效率。它配上适当的光源和接收器,可以构成分光光度计、荧光光度计、色度仪等多种仪器。所以,单色仪已成为仪器仪表、物理化学、硅酸盐、医药、半导体、建筑材料等方面的研究、生产及高等院校有关专业的重要仪器。

在遥感领域,大气的探测和研究等技术迅速发展,对空间遥感光谱仪器的需求越来越大。而国内外大多应用高精度单色仪对空间遥感光谱仪行波长定标。标准光源通过单色仪分光,将需要的单色光输出给遥感光谱仪,完成波长定标。

 

性能指标

氙灯:450W

卤钨灯:250W

分辨率:0.18nm @ 435.8nm1200gr/mm grating),10um 狭缝

精度:0.2nm

重复精度:0.04nm

焦距:200mm

光路:f/4, Czerny-Tunner

接口:USBRS232

扫描范围:  0-2000nm

 

仪器结构

单色仪的整体结构如下所示,两个光源分时输入分光腔,通过镜片只让其中的一束光进入单色仪,单色仪输出的单色光通过Y型光纤输出,一路通过准直镜后输出,一路输入探测器进行光强度测量。

 

单色仪是核心当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝,首先由光学准直镜汇聚成平行光,再通过衍射光栅色散为分开的波长(颜色)。利用每个波长离开光栅的角度不同,由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制光栅的转动可精确地改变出射波长。单色仪的原理示意图如下图所示,主要由入射狭缝、准直镜、光栅塔轮(两个光栅)、聚光镜和出射狭缝组成。其中光栅塔轮可以在电脑的控制下转动,改变入射到出射狭缝处的波长,从而输出所需的单色光。

单色仪内部图如下所示。

由于不同波长处光栅效率不同,光纤的透过能量不同,需要根据工作波长来确定选择不同的光栅、滤光片和出射光纤。



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1 吕喆

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