Part 2: 光栅

Part 2: 光栅


概述

光谱仪的衍射光栅决定了波长范围,并部分决定了光谱仪所能达到的光学分辨率。选择正确的光栅是优化光谱仪获得最佳光谱结果的关键因素。光栅将会影响你的光学分辨率和特定波长范围的最大效率。光栅可以分为两部分:凹槽频率和闪耀角,在下面的部分中进一步解释。



衍射光栅有两种类型: 刻划光栅和全息光栅。通过将大量的平行凹槽蚀刻在基片表面,然后用高反射材料覆盖它,从而产生受控制的光栅。另一方面,全息光栅是通过干涉两束紫外光来产生一种光学玻璃的折射变化的正弦指数而产生的。这个过程会产生一个更均匀的光谱响应,但整体效率要低得多。



虽然受控制的光栅是最简单和最不昂贵的光栅制造,但它们表现出更多的杂散光。这是由于在凹槽表面缺陷和其他错误造成的。因此,对于光谱应用(如紫外光谱学)来说,探测器响应较差,光学元件损失更大,一般选用全息光栅来提高光谱仪的杂散光性能。全息光栅的另一个优点是它们很容易在凹面上形成,允许它们同时作为色散元素和聚焦光的作用。


凹槽频率:

分散的量由每毫米的凹槽的数量决定。这通常被称为凹槽密度,或凹槽频率。光栅的凹槽频率决定了光谱仪的波长范围,也是光谱分辨率的一个主要因素。分光仪的波长范围与光栅的离散度成反比。然而,色散越大,分光计的分辨能力就越大。反演,减小凹槽频率减小了色散,提高了波长范围,降低了光谱分辨率。


例如,如果你选择一个Exemplar系列的光谱仪900 g /mm,它会给你一个370纳米波长范围,与光学分辨率高达0.5 nm。相对,如果你选择Exemplar系列的600 g / mm光栅,它将给你700 nm波长覆盖光学分辨率高达1.0 nm。如本例所示,您可以在牺牲光学分辨率的情况下增加波长范围。


当所需的波长范围是广泛的,即λmax > 2λmin,光信号波长不同的衍射订单可能会在同一空间位置探测器平面上,这将成为明显的一旦我们看看光栅方程。在这种情况下,需要一个线性变量过滤器(LVF)来消除任何不必要的高阶贡献,或者执行“排序”。


Βeta是衍射角,d凹槽周期(等于沟密度的倒数),m是衍射的顺序,λ是光的波长如图1 - 1所示。



nm / mm的形式给出了线性色散。从线性色散,最大光谱范围(λmax -λmin)可以计算出基于探测器的长度(LD),可以计算的总数乘以像素探测器(n)的像素宽度(Wp)的表达式



2 - 3为基础,明确光谱仪的最大光谱范围由探测器长度(LD)、槽密度(1 / d)和焦距(F)决定。




其中N是衍射光栅上凹槽的总数。这与变换极限理论一致,即任何变换的最小可解单位与样本数成反比。一般来说,光栅的分辨能力远高于光谱仪的整体分辨能力,表明色散只是决定整体光谱分辨率的众多因素之一。



还应该注意到,光栅衍射的最长波长是2d,这对光栅的光谱范围有一个上限。对于近红外(NIR)应用,这种长波长限制可能限制了光谱仪的最大槽密度。


闪耀角:


作为一种光栅衍射入射多色光,其效率不高。衍射曲线的整体形状主要由凹槽的角度决定,也就是闪耀角度。利用该特性,可以计算出闪耀角对应的峰值效率;这叫做闪耀波长。这个概念如图2 - 1所示,它比较了在500nm1250nm2000nm处的三个不同的150g / mm光栅。


Figure 2-1


可以闪耀光栅衍射效率高(> 85%)提供在一个特定的波长,即闪耀波长(λB)。作为一个经验法则,光栅效率将降低50%,0.6×λB1.8×λB。这限制了光谱仪的光谱覆盖范围。一般来说,衍射光栅的闪耀波长偏向于光谱范围的弱侧,以提高光谱仪的整体信噪比(SNR)