光栅单色仪的研究

admin

　　0 引言
　　1859 年，G.Kirchhoff 与R.Bunson 用火焰燃烧食盐时得到了钠吸收光谱，至此以后，人类开始了光谱仪器的研制。
　　1958 年，中国研制出第一台光谱仪，上世纪70 年代后期，光栅扫描分光系统应用到光谱仪器中，此后，光谱仪器的发展较为迅速。
　　单色仪是一种用于光谱分析和测量的光学仪器，它可以将复合光分解为一系列的单色光，在环境保护、物理、化学、制药、冶金等领域有着广泛的应用。单色仪根据分光原理的不同可分为棱镜单色仪和光栅单色仪。
　　棱镜单色仪是利用棱镜的分光原理设计而成的，通常由准光镜系统、棱镜系统和成谱系统三部分构成。由于棱镜材料的限制，棱镜单色仪只可以对120nm 至50um 间的光谱进行分光。棱镜单色仪尺寸越大分辨率越高，但是制造就越困难。
　　光栅单色仪是利用光栅的分光原理设计而成的，主要由光学结构、机械结构和控制系统等构成，其中光学结构是光栅单色仪的核心部分，本文对光栅单色仪的光学结构设计进行研究。
　　1 光栅单色仪的工作原理
　　1.1 平面衍射光栅的分光原理
　　光栅根据它是用于透射光还是反射光可分为透射光栅和反射光栅两类，本文中所设计的光栅单色仪采用反射光栅。
　　

　　1.2 光栅单色仪的系统图
　　光栅单色仪的系统结构图如图1 所示。当一束自然光经过单色仪的入射狭缝S1 进入，经进过凹面镜M1 后汇聚成平行光，M1 又称为准直镜，再通过衍射光栅G 将不同颜色的光分开，光经过衍射光栅后反射回M1，然后再经M1 反射后到达反射镜M2，再反射一次后经接收端S2 输出。这样，利用不同波长的光离开光栅的角度不同，即可实现分光。在使用中，常保持入射狭缝和接收端不变，通过旋转光栅来实现谱线的扫描和波长的选择。

　　图1 光栅单色仪的系统结构图
　　2 光栅单色仪的光学系统设计
　　本设计采用自然光（CDF 光）模拟入射光；在光栅单色仪中，自然光入射后会经过一个入射狭缝，本设计中将入瞳直径设置为3mm，以便模拟该入射狭缝。在软件Lens Data Editor编辑框中输入系统结构，具体设置如图2 所示。
　　图2 Lens Data Editor

　　通过3Dlayout 可见，多波长入射，经过光学系统后实现了分光。光路图如图3 所示。由图可看出，一束自然光经过狭缝后入射，经过准直镜、光栅、反射镜后，分成3 束。

　　3 结语
　　光栅单色仪是利用光栅分光原理实现将复合光分解成单色光的，它可以应用到物质成分的检测、光谱分析、光学测量等研究工作中。在材料、化学、光学、仪器仪表等领域有着广泛的应用。
　　作者简介：周广丽（1983-），女，山东枣庄人，硕士，讲师，研究方向为光学设计和光纤通信。
　　
　　

李小路

谢谢分享！