引言

光譜(Spectrum;Optical Spectrum)是復(fù)色光（如太陽光、燈光）經(jīng)過色散系統(tǒng)（如棱鏡、光柵）分光后，不同波長的光按波長（或頻率）大小依次排列形成的圖案。從更準(zhǔn)確的物理學(xué)角度看，光譜記錄了不同顏色的光分別有多亮（即光強(qiáng)隨波長的分布情況）。

光譜本質(zhì)上描述了光強(qiáng)隨波長（或頻率）的分布，其物理根源在于電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化（躍遷）及其動(dòng)態(tài)過程，具體涵蓋原子/分子的能級(jí)躍遷、固體能帶間躍遷、自由電子-自由電子躍遷、分子振動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷以及復(fù)合輻射等機(jī)制。根據(jù)產(chǎn)生與觀測方式的不同，光譜可分為若干類型：發(fā)射光譜（如熱輻射、復(fù)合輻射、自熒光、電致發(fā)光、光致發(fā)光等）、散射光譜（包括拉曼散射、布里淵散射、瑞利散射、康普頓散射、湯姆遜散射等），以及吸收與反射光譜。這些光譜形式共同為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、能級(jí)分布及動(dòng)力學(xué)行為提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

圖1 光譜儀的基本組成

光譜儀的基本組成如圖1 所示。光輻射由狹縫(位于準(zhǔn)直鏡的焦平面上) 進(jìn)入分光系統(tǒng)，經(jīng)準(zhǔn)直鏡的平行光束投射于色散元件。各種波長的光被色散到不同的方向，物鏡將各波長平行光束聚焦，在物鏡焦面上形成各波長的單色狹縫像，這樣就獲得了光譜。如果在光譜焦面上只有一個(gè)出射縫，用于檢測可調(diào)節(jié)的單一波長信號(hào)強(qiáng)度的光譜儀稱之為單色儀，而焦面上有多個(gè)出射縫，可同時(shí)檢測多個(gè)波長光譜信號(hào)強(qiáng)度的是多色儀或多通道單色儀。

光譜儀是一種靈敏度高、適應(yīng)性廣、分析速度快、使用方便的光譜分析儀器。根據(jù)分光方式的不同，光譜儀常見的可以分為兩類：棱鏡攝譜儀和光柵光譜儀。由于棱鏡攝譜儀的色散系統(tǒng)由棱鏡系統(tǒng)組成，它的工作范圍受到棱鏡材料的限制。與之相比，光柵光譜儀的波長范圍寬，色散率和分辨率高等特點(diǎn)，因此目前已成為主要的光譜分析儀器^[1]。

光柵光譜儀

光柵光譜儀通常需具備兩大基本功能：一是色散功能，由光柵將入射光按波長在空間上分離；二是成像功能，由透鏡或反射鏡等光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)光路的傳輸、匯聚與準(zhǔn)直，確保不同波長的光能夠清晰、高效地聚焦于探測器平面，從而獲得具有高分辨率和信噪比的光譜信息。  

圖2 光柵光譜儀分光原理

目前普遍采用的光路結(jié)構(gòu)為切尼-特納結(jié)構(gòu)（圖2），簡稱C-T結(jié)構(gòu)。整個(gè)光路主要由準(zhǔn)直反射鏡、光柵和聚焦反射鏡三個(gè)光學(xué)原件組成。C-T結(jié)構(gòu)形式上又可分為基本型C-T結(jié)構(gòu)，其光路結(jié)構(gòu)因形狀像字母“M"，故常被稱為M型C-T結(jié)構(gòu)。另一種光路結(jié)構(gòu)是由M型光路演變而來，其將光路進(jìn)行了交叉、折疊式，所以稱其為交叉型C-T光路結(jié)構(gòu)，通過光路的折疊，使其結(jié)構(gòu)更緊湊，整體光路尺寸更小。

M型光路在像散優(yōu)化中具有明顯的優(yōu)勢，可將像散校正到一個(gè)很低的水平。相較于交叉式切尼-特納(czerny-turner)光路，該光路的光譜分辨率相對(duì)較高。交叉型光路交叉式切尼-特納(czerny-turner)光路結(jié)構(gòu)的慧差相對(duì)于M型光路來說要更小，慧差可以被校準(zhǔn)到一個(gè)比較理想的數(shù)值，并且得到的光譜斑點(diǎn)較為規(guī)整。因交叉式光路最為緊湊，所以微型光譜儀通常采用交叉式光路。而針對(duì)于分辨率要求比較高的場合，則更多的采用M型光路。

在選配光柵光譜儀時(shí)，要合評(píng)估多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，包括光柵類型與刻線密度、光譜儀焦距、波長準(zhǔn)確度與重復(fù)性、倒線色散、光譜帶寬、分辨率以及雜散光水平等。本文將重點(diǎn)圍繞光柵進(jìn)行探討，為實(shí)際選型提供基本思路。

光柵的選型

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。光柵分為刻劃光柵、復(fù)制光柵、全息光柵等?？虅澒鈻攀怯勉@石刻刀在涂薄金屬表面機(jī)械刻劃而成；復(fù)制光柵是用母光柵復(fù)制而成。典型刻劃光柵和復(fù)制光柵的刻槽是三角形，經(jīng)典刻劃方法制成的光柵可以是平面或者凹面，每道溝槽互相平行。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成，溝槽可以是均勻平行的或者 是為了優(yōu)化性能而特別設(shè)計(jì)的不均勻分布。全息光柵可在 平面、球面、超環(huán)面以及很多其他類型表面生成。

反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細(xì)的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當(dāng)，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產(chǎn)生衍射和干涉。對(duì)某波長，在大多數(shù)方向消失，只在一定的有限方向出現(xiàn)，這些方向確定了衍射級(jí)次。如圖所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級(jí)次為m，d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：mλ=d（sinα+sinβ）

從該光柵方程可看出：對(duì)一給定方向β，可以有幾個(gè)波長與級(jí)次m相對(duì)應(yīng)λ滿足光柵方程。比如600nm 的一級(jí)輻射和300nm 的二級(jí)輻射、200nm 的三級(jí)輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消多級(jí)光譜濾光片輪的意義。

衍射級(jí)次m可正可負(fù)。對(duì)相同級(jí)次的多波長在不同的β分布開。含多波長的輻射方向固定，旋轉(zhuǎn)光柵，改變?chǔ)?，則在α+β不變的方向得到不同的波長。

如何選用光柵？

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)性能。選擇光柵主要考慮如下因素：

1、光柵刻線，光柵刻線數(shù)直接關(guān)系到光譜分辨率與使用范圍，光柵刻線越高，將得到越高的光譜分辨率，但光譜范圍越窄，光譜強(qiáng)度越弱，因此，需要根據(jù)試驗(yàn)條件靈活選擇；

2、閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點(diǎn)，因此選擇光柵時(shí)應(yīng)盡量選擇閃耀波長在實(shí)驗(yàn)需要波長附近。如實(shí)驗(yàn)為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm ；

3、使用范圍，光柵的使用的下限通常可認(rèn)為是光柵閃耀波長的一半，上限可認(rèn)為是光柵閃耀波長的二倍，實(shí)際可參考光柵效率曲線圖；

4、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級(jí)次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號(hào)損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。

5、鬼線：如果衍射光柵上存在周期性刻劃失誤，那么鬼線(并非散射光)將聚焦在衍射平面上。全息光柵沒有鬼線，因?yàn)樗豢赡艹霈F(xiàn)周期性的刻劃失誤，所以它是克服鬼線問題*好的解決方案。

6、工作波長高于1.2um的紅外波段，無法選用離子刻蝕全息光柵；以及需要寬光譜范圍時(shí)一般選用低密度刻線光柵。

光柵光譜儀的性能并非僅由光柵決定，而是光柵參數(shù)、光路結(jié)構(gòu)、探測器特性及狹縫設(shè)置協(xié)同作用的結(jié)果。在具體應(yīng)用中，光柵的刻線密度與閃耀波長應(yīng)首先匹配所需的測量波段與分辨率要求；在此基礎(chǔ)上，還需結(jié)合光譜儀的焦長、數(shù)值孔徑及探測器像元尺寸，綜合評(píng)估實(shí)際可達(dá)的光譜分辨率和信號(hào)采集效率。

后續(xù)我們將繼續(xù)圍繞光譜儀的設(shè)計(jì)與選型展開介紹，內(nèi)容涵蓋光譜儀焦距、準(zhǔn)確度與重復(fù)性、倒線色散、帶寬、分辨率、雜散光等關(guān)鍵參數(shù)。歡迎持續(xù)關(guān)注卓立漢光公眾號(hào)，獲取更多光譜學(xué)知識(shí)與技術(shù)動(dòng)態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉漢臣, 王秋萍, 張崇輝, 等. 光柵掃描光譜儀參數(shù)的研究[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2008, 29(4): 595-598.

[2] 王興權(quán). 光柵光譜儀原理及設(shè)計(jì)研究[D]. 長春理工大學(xué), 2005.