基本介紹
- 中文名：光柵分光計
- 外文名：Grating Spectrometer
- 簡介：採用光柵作為色散系統的光譜儀
- 分類：平面、反射式光柵分光計
- 相關概念：光柵、分光計、攝譜儀等
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基本介紹
衍射光柵是利用光的衍射原理使光發生色散的元件，它是由大量相互平行、等寬、等距的狹縫(或刻痕)構成。它能產生間距較寬的光譜線。可用作分光元件，用來製成單色儀、光譜儀等設備，在光譜分析和光譜測量中有著重要的作用。它不僅適用於可見光波段，也適合於紫外、紅外甚至遠紅外的所有光譜波段。
分光計是用來精確測量入射光和出射光之間偏轉角度的一種基本光學儀器，在工業上也稱測角儀，利用分光計可以間接測量折射率、光波波長、色散率以及光譜的定性分析等。
光柵分光計是用光柵作為分光元件的分光計。一般包括準直管、光柵和會聚透鏡三個部件。準直管形成的平行光經光柵衍射，其衍射規律服從：d(sinθ±sini)=Kλ，式中d是光柵常數；i是入射角，θ是衍射角；若i與θ在光柵平面法線同側，式中取正號，反之取負號。於是波長不同的光偏向不同的方向。再經會聚透鏡而形成譜線。式中K為光譜級數，如K=1稱一級光譜，K=2為二級光譜，等等。與稜鏡分光計相比，光柵分光計的一個重要優點是它的分辨本領大得多。光柵的分辨本領R=KN，N為光柵刻痕總數。光柵分光計的另一個優點是它適用的光譜範圍比稜鏡大，因為能透過稜鏡的光譜範圍總是有限的，而目前廣泛使用的反射式光柵，能套用於全部紫外、可見和紅外光波段。光柵分光計的第三個優點是它所得譜線較細銳，光譜是勻排的，便於用上面給的光柵方程作定量計算。
夫琅和費在1822年用鑽石在玻璃上刻出了第一塊光柵，組合成一個簡單光柵分光計，用它測定了鈉D線的波長，與現在的公認值只差0.5納米。現代大型的質地優良的分光計都是光柵分光計。所使用的平面反射光柵通常是在玻璃坯平面上鍍一層鋁膜，然後用刻劃機在鋁膜上刻槽而成。每毫米槽線數大致如下：真空紫外區，1200～3000線/毫米;近紫外和可見光區，600～1200線/毫米;近紅外區，200～300線/毫米;中紅外區，50～100線/毫米;遠紅外區，1～50線/毫米。
分光計
1814年，夫琅和費在研究太陽暗線時改進了當時的觀察儀器，設計了由平行光管、三稜鏡和望遠鏡組成的分光計。這是第一個分光計的出現，其設計思想、基本構造原理是現代光譜儀、攝譜儀設計製造的基本依據。分光計經常用來測量光的波長、稜鏡角、稜鏡材料的折射率和色散率等。
分光計的結構
分光計由平行光管、載物台、望遠鏡、刻度盤和底座五部分組成。圖1是JJY型分光計的外形圖。
圖1 分光計的結構
1一底座；2一刻度盤；3一載物平台；4一平行光管；5一望遠鏡；6一狹縫調節螺釘；7一狹縫簡固定螺釘；8一平行光管仰角調節螺釘；9一平行光管水平微動螺釘；10一游標窗定位螺釘；11一載物台調平螺釘(三個)；12一望遠鏡架固定螺釘；13一望遠鏡微調螺釘；14一望遠鏡水平方向微動；15一望遠鏡仰角調節螺釘；16一目鏡筒固定螺釘；17一小燈泡；18一凸透鏡；19一望遠鏡目鏡；20一望遠鏡物鏡；21一刻度盤定位螺釘。
1)平行光管
平行光管是產生平行光的裝置，其結構見圖2，它由物鏡L(固定在管的一端)和狹縫S組成，狹縫寬度可以根據需要調節。狹縫相對於L的位置可由套筒移動來調節再由螺絲固定。當狹縫位置調至L的焦面上時，在某光源的照射下，狹縫諸點如A，B，…等發出的光經物鏡折射後均為方向不同的平行光束，如用已經自準直調焦無窮遠的望遠鏡對準平行光管觀察，這些不同方向的平行光束被望遠鏡接收後分別會聚成相應像點，觀察者看到的便是由這些像點組成的狹縫的像，甚至狹縫兩邊刀口的形狀都清晰可辨。這時說明平行光管發出的便是平行光。
圖2 平行光管結構原理圖
2)望遠鏡
(1)目鏡和物鏡。望遠鏡是一種助視儀器，可將遠處物體對人眼中心的張角即視角放大很多，從而使人眼能看清遠處物體的細節。
望遠鏡的機械部件分為外管、中管和內管，彼此可以相互移動，也可用螺絲固定。望遠鏡的光學部件由兩塊焦距不同的會聚透鏡(為消除像差可用透鏡組)組成，如圖3所示，其中焦距較大的一個作為物鏡固定在外管連線埠；焦距較小的一個作為目鏡固定在內管連線埠，令物鏡和目鏡組成共軸系統，並使物鏡的第二焦點與目鏡的第一焦點靠近。
圖3 望遠鏡結構示意圖鏡台
(2)分劃板。用於測量的望遠鏡內都裝有一塊分劃板被固定在中管，它是用透明材料制的薄板，板上的叉絲是用來做定標用的標準線，在分劃板的內側邊面緊貼一個帶45。反射面的小折光稜鏡，稜鏡與分劃板的貼上部分塗成黑色，僅留有一個綠色的小十字線孔。在中管側面的圓孔里，放一個小燈泡，燈光通過小稜鏡從45。反射面照到分劃板上，貼面的塗黑部分形成陰影，透光部分便形成一個在分劃板上的綠色的十字線物。
3)載物平台
載物平台系用來放置三稜鏡或光柵等被測元件的平台，它可固定在中心桿上繞通過平台中心的鉛直軸即儀器主軸轉動，也可沿桿上下升降，並固定在任意高度上，平台下面有三個螺絲(見圖1之11)，用以改變平台對鉛直軸的傾斜度。
4)讀數圓盤
讀數圓盤分內盤和外盤，兩盤均刻有角度標尺，標尺一圈360。，共分720格，每格0.5。，載物平台可與內盤固定而一起繞主軸轉動，也可與內盤脫離；望遠鏡可與外盤固定而一起繞主軸轉動，也可分離單獨轉動。它們到底處於何種狀態，將由圖1中的9，10，11三個螺絲控制。望遠鏡和載物平台的相對方位或轉動的角度可由讀數圓盤上讀取。為提高精度，在內盤的對稱位置上裝有兩個角游標，相距180°。游標尺上分的30格，與主尺上29格的弧長相等，因此刻度最小讀數為17。裝兩個游標的目的是為了消除讀數圓盤刻度中心與儀器主軸之間的偏心差，記錄內、外盤的角位移時，應從兩個游標尺上分別讀取兩個角度，再取其平均值。
分光計的調節
1)望遠鏡的成像
用望遠鏡觀察遠處物體時，物體各點發出的光通過物鏡成縮小實像在焦點外側附近，並調至恰好落在目鏡焦點內側附近，其經目鏡的放大虛像調至明視距離(約25cm)便被觀察清楚。由於視角已被放大，可以分辨像的細節。
如果想對像定標，則事先調節內管，使分劃板恰好位於目鏡焦點內側附近，並被觀察清楚，那么叉絲的像和物體的像均成在明視面上，這可用視差法來檢驗，即左右移動眼睛時，兩像沒有相對移動可證明它們共面。
2)自準直法調焦至無窮遠(簡稱調焦)
因為在觀察光譜時，平行光管發出的是平行光，調節平行光時，需移動狹縫相對於物鏡的距離，何時是平行光的判斷標準正是用已調焦至無窮遠的望遠鏡來看清發出平行光的狹縫。一般均用自準直法來調焦至無窮遠。
自準直法的原理是鏡筒內設一發光物，它發出的光從物鏡折射至鏡外，倘若有一平面鏡恰與光軸垂直，則將這束光反射回到物鏡又折射人望遠鏡筒內成像。只有物發出的是平行光時，平面鏡反射回來的才是平行光，也才能成與物等大小並處於對稱位置的像。因此，我們接通中管側面圓孔里小燈泡的電源，使綠色十字線物發光，調節中管(調焦)使分劃板恰落在物鏡的焦面上，則十字線物發出平行光，它遇到平面鏡反射回鏡筒內，成的十字線像便會呈現在十字線物的對稱位置上。如圖4所示，十字線物在豎直叉絲上偏下，十字線像在豎直叉絲上偏上。這時望遠鏡便處於看清了物從“無窮遠”外發出平行光成清晰像的狀態，也就是已調焦至無窮遠。本實驗採用放在載物平台上的帶平面底座的平面鏡做自準直調焦的反射平面鏡。自準直調焦技術性很強，主要困難在於不停地調節中管的同時，還要調節平台的三個螺絲，改變反射鏡的傾斜度，使其被調節至與望遠鏡光軸垂直，否則它會將從望遠鏡筒射出來的平行光反射到筒外，這時，無論怎樣調節中管在望遠鏡內也找不到十字像。
為給初學者減小困難，實驗室備有一片粗質平面鏡，可將其貼在望遠鏡外連線埠，調節中管(調焦)一般均能在視野里出現十字線像。因為連線埠和反射面均不是嚴格的光學表面，所以像的位置很可能與物不對稱，但能看清楚“無窮遠”處物的像，這已為自準直法調焦帶來了方便。
自準直法調焦具體過程分為兩步：
第一步：置平面鏡於載物台之前，先用肉眼觀察，調節各可調部分處於適中狀態，比如望遠鏡處於可上下傾斜的中間狀態，調載物台上的三個螺絲大致等高，保持平台基本水平，如果想確定平台水平也可採用水平儀調節。用水平儀調節三點面時，如圖5置法可快速完成，先置水平儀於A狀態，調節b，c兩點等高，然後置水平儀於B狀態，只調節a一點，便可使a與b，c等高。
圖4 自準調焦的像
圖5 水平面快速調法
第二步：置平面鏡於載物平台中部，並與任意兩個調節螺絲連線平行。旋轉平台使其反射面與望遠鏡筒大致垂直，用肉眼沿望遠鏡外邊緣向反射面望去，微旋平台和望遠鏡傾斜度直至在反射面上看到亮的光斑，以後再通過望遠鏡去觀察，調節中管，並仍需極小心的微旋上述部件便可找到十字線反射像，見到像之後，再繼續調節直至它成在物的對稱位置，自準直調焦便告成功。
3)調望遠鏡光軸與載物平台轉軸(儀器主軸)垂直
為了測三稜鏡頂角或觀察光譜，均要求望遠鏡光軸與儀器主軸垂直，並且要求稜鏡的兩個光學面與儀器主軸平行。在將三稜鏡替換下平面鏡時，為後面調節方便應將三個頂點與載物台的三個調節螺絲對應。望遠鏡雖已用平面鏡自準調焦，也只能較容易地調節與三稜鏡一個光學側面垂直，而若旋轉望遠鏡至另一光學側面觀察時卻未必能找到反射像，這說明望遠鏡光軸與稜鏡另一光學側面並不垂直。為此，必須用調節第一個光學面的同樣方法再來調節第二個光學面。但是，不難想像，在調第二個面時，各部件的移動和狀態的改變必然又破壞瞭望遠鏡與第一個面的垂直狀態。往往是找到一個面的十字線反射像，又丟了另一個面的十字線反射像。所以應該在調另一反射面之前，將已找到的十字線反射像調至視野中心而不要一次到位，在調節另一反射面時，不時地轉回來觀察像的位置，監視像不要在視野內消失，一旦兩個像均已出現，在對各像細調到位時，可先調至一半位置留一半做調節餘地，然後再分別逐步逼近，直至兩個面均調至反射像到位。這種逐步逼近的方法在其它調節中也常使用，稱半調法。若反覆調節、觀察，至兩個面的反射像均與物對稱，則說明望遠鏡與載物平台轉軸已經垂直，且稜鏡的兩透光面也與儀器主軸平行。最困難的調節已告完成。
攝譜儀
攝譜儀是將複色光分解為光譜，並對其進行攝影記錄的精密儀器。主要由三個部件組成：①準直管。包括透鏡、反射鏡及在焦平面上的狹縫等，由狹縫入射的光線經過準直管後成為一束平行光；②色散系統。一般是稜鏡或光柵，使從準直管中射來的平行光按波長分解為若干束前進方向不同的平行光；③照像系統。由會聚透鏡將不同方向的平行光會聚在其焦平面的不同位置而成光譜，並由置於此焦面上的照相底板記錄下來。
