基本介紹
- 中文名：反射光柵
- 外文名：reflection grating
- 領域：光學
- 分類：平面反射光柵和凹面反射光柵
- 屬性：多狹縫部件
- 相關名詞：透射光柵
簡介,平面反射光柵,凹面光柵,
簡介
光柵是一種多狹縫部件。光柵光譜的產生是多狹縫干涉和單狹縫衍射兩者聯合作用的結果。多縫干涉決定光譜線出現的位置，單縫衍射決定譜線的強度分布。光柵分為透射光柵和反射光柵，用得較多的是反射光柵。反射光柵又可分為平面反射光柵(或稱閃耀光柵)和凹面反射光柵(簡稱凹面光柵)。
平面反射光柵
目前，廣泛套用的平面反射光柵,是在玻璃坯上鍍一層鋁膜，然後用金剛石在這鋁膜上刻劃出很密的平行刻槽而成。目前我國大量生產的平面反射光柵每毫米刻槽600條或1200條，最密的達到每毫米1800條。由於鋁在近紅外區域和可見區域的反射係數都比較大，而且幾乎是常數，更重要的是它在紫外區域的反射係數比金和銀都大；再加上它比較軟，便於刻劃，所以通常都用鋁來做反射光柵。在鋁膜上刻劃出適當的槽形，就能把光的能量集中到某一級，從而克服了光柵的光強不如稜鏡的缺點。另外，製造透紅外線或紫外線的稜鏡有各種困難，如石英在紅外區域色散太小，食鹽怕潮等等，而反射光柵就沒有這些間題。鋁製的反射光柵，幾乎在紅外、可見和紫外等區域都能用。而且,一塊光柵刻好後，可以用它複製多塊，複製出的好光柵還可以再複製，複製方法也簡單。由於有這許多優點，在目前製造的分光儀器中，幾乎都用反射光柵代替稜鏡。
平面反射光柵強度公式
先求一條刻槽衍射到0方向上的光在P.點產生的合振動。仍假定刻槽的橫斷面為鋸齒形，如圖所示。一條刻槽兩邊A和B兩點向0方向發出的衍射光的光程差為
，進而可以寫成
。
相應的周相差為：
把槽面分成寬度為無限小的許多平行小長條。由矢量合成的圖解法，這些小條上的一小段所發出的子波在eP點產生的光振動迭加時排成一段圓弧，它們的合振動的振幅a，為弦
。
一條刻槽所產生的振幅AB即
。
現在要求計算的就是
，令
，由上圖可見
。
式中
等於所有小長條在Pe點產生的振動周相都相同時合振動的振幅。因為這時周相差為O，由矢量合成的圖解法可知，合矢量就是所有矢量沿直線頭尾相接排成的矢量，它的長度就等於所有矢量的長度之和，也就是弧AB的長度。由於現在周相差為0，也就是光程差為0，所以
也就是槽面反射方向上P0點的振幅。(槽面反射方向是指這樣的衍射光的方向，它與槽面法線的夾角等於入射光線與槽面法線的夾角)
如果槽形不是鋸齒形，而是滿足一定條件的其他光滑曲面，則矢量合成圖就不是圖中那樣的一段圓弧，而是由槽形決定的一段光滑曲線，合振動的振幅a口就是這段曲線頭尾之間連線的長度。
再求各刻槽在Pe點產生的振動的相干迭加，如圖所示，相鄰兩槽的光程差為
相鄰兩槽的光程差相應的周相差為
。
在光柵共有N條刻槽，每條刻槽在P0產生的振幅都是
。相鄰兩槽的周相差都是
，令
，則N條刻槽在
點產生的振動合成如圖所示
所以N條刻槽的子波在
點相干迭加的合振幅便為
所以由定義得
點的相對強度為：
平面反射光柵的特點
a) 根據光柵方程，當光柵常數d為定值時，對於同一方向（α一定）入射的複合光在同級光譜（m一定）中，不同波長(有不同的衍射角β與之對應，因而可在不同的衍射方向之獲得不同波長的譜線（主極大）。這就是光柵的色散原理。
b) 對一定波長(的單色光而言，在光柵常數d和入射角α固定時，對於不同級次m(m=0 ±1 ±2......)可得到不同角β的衍射光，即同一波長可以有不同級次的譜線（主極大）。
c) 對於複合光，當m=0時，在β=-α的方向上，任何波長都可使光柵方程成立，即在此方向上，光柵的作用就象一面反射鏡一樣，將得到不被分光的零級光譜，入射光束中的所有波長都疊加在零級光譜中。當d和α為固定值時，對於不同波長、不同級次的光譜，只要其乘積m(等於上述定值，則都可以在同一衍射角β的方向上出現。
例如，一級光譜中波長譜線和二級譜線、三級譜線......重疊在一起。這種現象稱為光譜級次的重疊。它是光柵光譜的一個缺點，對光譜分析不利，應設法予以清除。在平面光柵光譜儀中，常用不同顏色的濾光片來消除這種級次重疊。同時為了獲得足夠的光能量，在ICP光譜分析中，通常選擇第一級（m=1）或第二級次（m=2）的光譜譜線。
凹面光柵
又稱羅蘭光柵（Rolland grating）。它的作用是使光既衍射又聚焦。因而凹面光柵攝譜儀只需光柵、狹縫及感光板三部分。它可減少吸收現象，只存在光柵面一次反射的光損失，且無色差。可用於遠紫外光譜及遠紅外光譜區域。
在高反射金屬凹面上刻劃一系列的平行線條構成反射光柵，具有分光和聚光能力。若將狹縫光源和凹面光柵放置在同一圓周上，且該圓的直徑等於凹面光柵的曲率半徑，可得到很銳的細光譜線，該圓稱為羅蘭圓如圖（a）。常見的凹面光柵光譜儀有三種裝置，即羅蘭裝置，帕邢裝置和依格爾裝置。
羅蘭裝置如圖（b）所示，光柵中心和感光板中心固定在可動的連桿兩端，連桿的長度為光柵的曲率半徑，其兩端可沿互相垂直的導軌自由滑動，狹縫裝有導軌的交點上。在連桿移動過程中，狹縫、光柵和感光板始終在一羅蘭圓上。這種裝置的缺點為：只能用移動連桿來讀取不同波段的光譜。
帕邢裝置的羅蘭圓為一圓形鋼軌如圖（c），狹縫和光柵都固定在鋼軌上，感光板環繞鋼軌安裝有一排底板架因而可同時拍攝幾組光譜，其優點是穩定性高。
依格爾裝置如圖（d）所示，其入射角等於衍射角，其中縫光源安裝在底板架的正上方，要改變波段可將光柵和底板沿相反的方向轉動同一角度，改變二者間的距離，使之始終位於羅蘭圓上。該裝置優點為體積緊湊，通常用於真空紫外光譜儀。
