光栅衍射光栅光谱仪闪耀光栅解析ppt课件.ppt
物 理 光 学,国防科技大学光电学院,一、光栅衍射的颜色分辨,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,光栅衍射峰值与波长相关,光栅光谱仪光栅分光原理,反射光栅光谱仪示意图,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,光谱仪的构成,1.光源,2.照明准直,3.分光,4.成像,5.接收,原子发光和吸收分子吸收喇曼散射荧光激光氙灯 钨灯,物质（棱镜）衍射（光栅）干涉（FP）付氏,直读照相光电CCDCMOS,主流读出系统的演变： 直读（单通道，强度分辩低，无时间） 摄谱（多通道，强度分辩低，无时间）CCD（多通道，强度分辩本领高， 时间分辨，高效）,一个世纪以前光谱技术已有了它的雏形，并作出了至今仍光辉闪耀的成就。一个世纪以来，光谱技术有了长足的发展。量子力学的建立为光谱学奠定了理论基础。研究对象扩展到各种物质层次和物态：从离子、原子、分子到凝聚态，从气态、液态、固态到等离子体，从遥远的天体到显微镜下的DNA。 在光谱分析方法上也已多样化，除了发射、吸收、反射、荧光、散射光谱方法外，还有偏振、旋光、光声、光热、光导等光谱方法，以及微分光谱、调制光谱、付利叶变换、哈特玛变换光谱、干涉分光计、相关光谱仪方法等。在光谱仪器方面（即硬件），扩展了波段，长波方面与毫米波相连；而短波与软射线（100 埃）相连。提高了光谱分辨率、灵敏度（ppm,ppb）、高精确度、高重复性、稳定性。,光谱的应用,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,一台多功能光栅光谱仪,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,分开不同波长的光： 波长分辨本领记录不同波长的光的强度：强度分辨本领时间分辨本领效率,光栅光谱仪性能指标 (1) 色分辨本领,每一波长的主衍射峰都有一定的角宽度，因此只有当两个相邻波长的光通过光栅后衍射角间隔达到一定值时，才可能被分辨，这即为光栅光谱仪的色分辨本领。,主衍射峰角宽度,相邻波长光光栅衍射角间隔,上式表示在波长光谱附近，第m级衍射能分辨的最小波长差,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,色分辨本领,(2) 角色散本领角色散本领：,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,单位：rad/nm,(3) 线色散本领,在光谱测量中，用焦距为f透镜进行观测光谱，不同波长的光谱在观测面上分开的线度为,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,单位：rad/nm,角色散本领：,单位：mm/nm,光谱学中，习惯上将上式倒过来表达： nm/mm或A/mm,(4)光栅的色散范围,从某一衍射级以后，可能出现较大波长的第m1衍射级与较小波长的第m衍射级的谱线发生交叠。,上式表示在波长光谱附近，第m级衍射能分辨的最小波长差,光栅色散范围:,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,例题：光栅刻槽密度1/d800线/mm，有效宽度D10cm, 求1序光谱的色分辨本领，并估算波长550nm附近可分辨的最小波长间隔。,光栅光谱仪的色分辨本领远不及FP腔，但是其量程大，适宜于测定宽波段的光谱曲线，例如，待测谱最小波长500nm,可测范围为500nm1000nm,不致造成I序光谱与II序光谱的重叠。,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,大光栅，配长焦距提供足够大的线色散以充分利用高色分辨本领 光栅常数d的选用：,真空紫外区：12001300/mm可见光区：6001200近红外：200300中红外：50100远红外：150,光栅光谱仪的选择：角色散、线色散、角分辨本领要考虑三者的协调一致。,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,光栅光谱仪的能量利用效率！,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,二、 闪耀光栅(blazing angle),如何使得大部分能量(衍射零 级)集中到所需的(缝间干涉)光谱级次上？,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,二、 闪耀光栅(blazing angle),闪耀光栅由平行且等距的槽条组成。,将大部分能量(衍射零 级)集中到所需的(缝间干涉)光谱级次上。,宏观平面法线方向N单元槽面法线方向n闪耀角 b,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,1、两种照明方式和闪耀波长,（1） 入射光垂直于光栅宏观平面 分析单槽衍射：等效平行光以 斜入射单缝衍射情形。 相对相位差： 单缝零级衍射方向入射的反射方向。,狭缝单元衍射因子,狭缝的夫琅禾费衍射,一维狭缝的夫琅禾费衍射场,斜入射狭缝夫琅禾费衍射场,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,1、两种照明方式和闪耀波长,（1）入射光垂直于光栅宏观平面,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,1、两种照明方式和闪耀波长,（2）入射光垂直于单元槽面,使单槽衍射的零级方向成为槽间干涉的非零级方向，从而提高了能量利用效率。,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,2、衍射场特点（1）仅有一序光谱,（2）衍射场分布,光栅衍射应用,3、闪耀光栅的应用,超短脉冲和锁模,1、多光束干涉与空间尖脉冲,反射、透射、F-P腔，以及光栅的多光束干涉，当衍射角满足下式时，衍射极大。形成空间尖脉冲。,光栅衍射应用,1、多光束干涉与空间尖脉冲,衍射极大的半角宽度为。,超短脉冲和锁模,光栅衍射应用,2、从空域尖脉冲到时域超短脉冲,多光束叠加,合成振幅为,超短脉冲和锁模,光栅衍射应用,2、从空域尖脉冲到时域超短脉冲,假设,脉冲峰值时刻、脉冲宽度、脉冲间隔：,超短脉冲和锁模,光栅衍射应用,2、从空域尖脉冲到时域超短脉冲,N个光振动为：,合振幅：,超短脉冲和锁模,光栅衍射应用,3、激光锁模技术,FP腔产生了一系列纵模：,即：,锁模方法：,超短脉冲和锁模,光栅衍射应用,3、激光锁模技术,锁模方法：,形成逐级锁模：,被调制,超短脉冲和锁模,光栅衍射应用,3、激光锁模技术,锁模方法：,超短脉冲和锁模,光栅衍射应用,作业3.17,3.18,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,3、一维光栅推导闪耀光栅衍射场,考虑入射光垂直宏观法向N的情况，单槽衍射因子等效于斜入射的单缝衍射，根据入射光与方向的出射光之间光程差分析，得到单槽衍射因子宗量：,强度结构因子:,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,3、一维光栅推导闪耀光栅衍射场,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,3、一维光栅推导闪耀光栅衍射场由,3.6 光栅光谱仪 闪耀光栅,3、一维光栅推导闪耀光栅衍射场,即相应的槽间干涉的主极强均缺失。,作业3.17,3.18,3.6 光栅衍射 光栅光谱仪 闪耀光栅,
