光柵衍射光柵光譜儀閃耀光柵解析課件

物理光學(xué)國(guó)防科技大學(xué)光電學(xué)院物理光學(xué)國(guó)防科技大學(xué)光電學(xué)院一、光柵衍射的顏色分辨§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵光柵衍射峰值與波長(zhǎng)相關(guān)一、光柵衍射的顏色分辨§3.6光柵衍射－光柵光譜儀光柵光譜儀—光柵分光原理

樣品光電

反射光柵光譜儀示意圖§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵光柵光譜儀—光柵分光原理樣品光電反射光柵光譜儀示意圖§3光譜儀的構(gòu)成1.光源2.照明準(zhǔn)直3.分光4.成像5.接收原子發(fā)光和吸收分子吸收喇曼散射熒光激光氙燈鎢燈物質(zhì)（棱鏡）衍射（光柵）干涉（F－P）付氏直讀照相光電CCDCMOS主流讀出系統(tǒng)的演變：

直讀（單通道，強(qiáng)度分辯低，無(wú)時(shí)間）攝譜（多通道，強(qiáng)度分辯低，無(wú)時(shí)間）CCD（多通道，強(qiáng)度分辯本領(lǐng)高，時(shí)間分辨，高效）光譜儀的構(gòu)成1.光源2.照明準(zhǔn)直3.分光4.成像5.接收原子一個(gè)世紀(jì)以前光譜技術(shù)已有了它的雛形，并作出了至今仍光輝閃耀的成就。一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，光譜技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。量子力學(xué)的建立為光譜學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。研究對(duì)象擴(kuò)展到各種物質(zhì)層次和物態(tài)：從離子、原子、分子到凝聚態(tài)，從氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)到等離子體，從遙遠(yuǎn)的天體到顯微鏡下的DNA。

在光譜分析方法上也已多樣化，除了發(fā)射、吸收、反射、熒光、散射光譜方法外，還有偏振、旋光、光聲、光熱、光導(dǎo)等光譜方法，以及微分光譜、調(diào)制光譜、付利葉變換、哈特瑪變換光譜、干涉分光計(jì)、相關(guān)光譜儀方法等。在光譜儀器方面（即硬件），擴(kuò)展了波段，長(zhǎng)波方面與毫米波相連；而短波與軟射線(xiàn)（100埃）相連。提高了光譜分辨率、靈敏度（ppm,ppb）、高精確度、高重復(fù)性、穩(wěn)定性。光譜的應(yīng)用§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵一個(gè)世紀(jì)以前光譜技術(shù)已有了它的雛形，并作出了一臺(tái)多功能光柵光譜儀§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵分開(kāi)不同波長(zhǎng)的光：波長(zhǎng)分辨本領(lǐng)記錄不同波長(zhǎng)的光的強(qiáng)度：強(qiáng)度分辨本領(lǐng)時(shí)間分辨本領(lǐng)效率一臺(tái)多功能光柵光譜儀§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃光柵光譜儀性能指標(biāo)

(1)色分辨本領(lǐng)每一波長(zhǎng)的主衍射峰都有一定的角寬度，因此只有當(dāng)兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)的光通過(guò)光柵后衍射角間隔達(dá)到一定值時(shí)，才可能被分辨，這即為光柵光譜儀的色分辨本領(lǐng)。主衍射峰角寬度相鄰波長(zhǎng)光光柵衍射角間隔上式表示在波長(zhǎng)λ光譜附近，第m級(jí)衍射能分辨的最小波長(zhǎng)差§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵色分辨本領(lǐng)光柵光譜儀性能指標(biāo)(1)色分辨本領(lǐng)每一波長(zhǎng)

(2)角色散本領(lǐng)角色散本領(lǐng)：§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵單位：rad/nm(2)角色散本領(lǐng)§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃

(3)線(xiàn)色散本領(lǐng)在光譜測(cè)量中，用焦距為f透鏡進(jìn)行觀測(cè)光譜，不同波長(zhǎng)的光譜在觀測(cè)面上分開(kāi)的線(xiàn)度為§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵單位：rad/nm角色散本領(lǐng)：?jiǎn)挝唬簃m/nm光譜學(xué)中，習(xí)慣上將上式倒過(guò)來(lái)表達(dá)：nm/mm或A°/mm(3)線(xiàn)色散本領(lǐng)在光譜測(cè)量中，用焦距為f(4)光柵的色散范圍

從某一衍射級(jí)以后，可能出現(xiàn)較大波長(zhǎng)的第m＋1衍射級(jí)與較小波長(zhǎng)的第m衍射級(jí)的譜線(xiàn)發(fā)生交疊。

上式表示在波長(zhǎng)λ光譜附近，第m級(jí)衍射能分辨的最小波長(zhǎng)差光柵色散范圍:

§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵(4)光柵的色散范圍從某一衍射級(jí)以后，可能出現(xiàn)較大波長(zhǎng)的第例題：光柵刻槽密度1/d~800線(xiàn)/mm，有效寬度D~10cm,求1序光譜的色分辨本領(lǐng)，并估算波長(zhǎng)~550nm附近可分辨的最小波長(zhǎng)間隔。光柵光譜儀的色分辨本領(lǐng)遠(yuǎn)不及FP腔，但是其量程大，適宜于測(cè)定寬波段的光譜曲線(xiàn)，例如，待測(cè)譜最小波長(zhǎng)500nm,可測(cè)范圍為500nm~1000nm,不致造成I序光譜與II序光譜的重疊?！?.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵例題：光柵刻槽密度1/d~800線(xiàn)/mm，有效寬度D~10c大光柵，配長(zhǎng)焦距提供足夠大的線(xiàn)色散以充分利用高色分辨本領(lǐng)光柵常數(shù)d的選用：真空紫外區(qū)：1200~1300/mm可見(jiàn)光區(qū)：600~1200近紅外：200~300中紅外：50~100遠(yuǎn)紅外：1~50光柵光譜儀的選擇：角色散、線(xiàn)色散、角分辨本領(lǐng)要考慮三者的協(xié)調(diào)一致?！?.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵光柵光譜儀的能量利用效率！大光柵，配長(zhǎng)焦距提供足夠大的線(xiàn)色散§3.6光柵光譜儀閃耀光柵二、閃耀光柵(blazingangle)如何使得大部分能量(衍射零級(jí))集中到所需的(縫間干涉)光譜級(jí)次上？§3.6光柵光譜儀閃耀光柵二、閃耀光柵(blazin§3.6光柵光譜儀閃耀光柵二、閃耀光柵(blazingangle)閃耀光柵由平行且等距的槽條組成。將大部分能量(衍射零級(jí))集中到所需的(縫間干涉)光譜級(jí)次上。宏觀平面法線(xiàn)方向N單元槽面法線(xiàn)方向n閃耀角θb§3.6光柵光譜儀閃耀光柵二、閃耀光柵(blazin§3.6光柵光譜儀閃耀光柵1、兩種照明方式和閃耀波長(zhǎng)（1）入射光垂直于光柵宏觀平面分析單槽衍射：等效平行光以斜入射單縫衍射情形。相對(duì)相位差：?jiǎn)慰p零級(jí)衍射方向入射的反射方向?！?.6光柵光譜儀閃耀光柵1、兩種照明方式和閃耀波長(zhǎng)（狹縫單元衍射因子狹縫的夫瑯禾費(fèi)衍射一維狹縫的夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng)斜入射狹縫夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng)狹縫單元衍射因子狹縫的夫瑯禾費(fèi)衍射一維狹縫的夫瑯禾費(fèi)衍射§3.6光柵光譜儀閃耀光柵1、兩種照明方式和閃耀波長(zhǎng)（1）入射光垂直于光柵宏觀平面§3.6光柵光譜儀閃耀光柵1、兩種照明方式和閃耀波長(zhǎng)（§3.6光柵光譜儀閃耀光柵1、兩種照明方式和閃耀波長(zhǎng)（2）入射光垂直于單元槽面使單槽衍射的零級(jí)方向成為槽間干涉的非零級(jí)方向，從而提高了能量利用效率。§3.6光柵光譜儀閃耀光柵1、兩種照明方式和閃耀波長(zhǎng)（§3.6光柵光譜儀閃耀光柵2、衍射場(chǎng)特點(diǎn)（1）僅有一序光譜（2）衍射場(chǎng)分布§3.6光柵光譜儀閃耀光柵2、衍射場(chǎng)特點(diǎn)（2）衍射場(chǎng)分光柵衍射應(yīng)用3、閃耀光柵的應(yīng)用光柵衍射應(yīng)用3、閃耀光柵的應(yīng)用超短脈沖和鎖模1、多光束干涉與空間尖脈沖

反射、透射、F-P腔，以及光柵的多光束干涉，當(dāng)衍射角滿(mǎn)足下式時(shí)，衍射極大。形成空間尖脈沖。光柵衍射應(yīng)用超短脈沖和鎖模1、多光束干涉與空間尖脈沖反射、透射、1、多光束干涉與空間尖脈沖

衍射極大的半角寬度為。超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用1、多光束干涉與空間尖脈沖衍射極大的半角寬度為。超短2、從空域尖脈沖到時(shí)域超短脈沖

多光束疊加合成振幅為超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用2、從空域尖脈沖到時(shí)域超短脈沖多光束疊加合成振幅為超短2、從空域尖脈沖到時(shí)域超短脈沖

假設(shè)脈沖峰值時(shí)刻、脈沖寬度、脈沖間隔：超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用2、從空域尖脈沖到時(shí)域超短脈沖假設(shè)脈沖峰值時(shí)刻、脈沖2、從空域尖脈沖到時(shí)域超短脈沖

N個(gè)光振動(dòng)為：合振幅：超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用2、從空域尖脈沖到時(shí)域超短脈沖N個(gè)光振動(dòng)為：合振幅：3、激光鎖模技術(shù)

F－P腔產(chǎn)生了一系列縱模：即：鎖模方法：超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用3、激光鎖模技術(shù)F－P腔產(chǎn)生了一系列縱模：即：鎖模方3、激光鎖模技術(shù)

鎖模方法：形成逐級(jí)鎖模：被調(diào)制超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用3、激光鎖模技術(shù)鎖模方法：形成逐級(jí)鎖模：被調(diào)制超短脈3、激光鎖模技術(shù)

鎖模方法：超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用3、激光鎖模技術(shù)鎖模方法：超短脈沖和鎖模光柵衍射應(yīng)用作業(yè)3.17,3.18§3.6光柵衍射－光柵光譜儀閃耀光柵作業(yè)3.17,3.18§3.6光柵衍射－光柵光譜儀§3.6光柵光譜儀閃耀光柵3、一維光柵推導(dǎo)閃耀光柵衍射場(chǎng)

考慮入射光垂直宏觀法向N的情況，單槽衍射因子等效于斜入射的單縫衍射，根據(jù)入射光與θ方向的出射光之間光程差分析，得到單槽衍射因子宗量：強(qiáng)度結(jié)構(gòu)因子:§3.6光柵光譜儀閃耀光柵3、一維光柵推導(dǎo)閃耀光柵衍射§3.6光柵光譜儀閃耀光柵3、一維光柵推導(dǎo)閃耀光柵衍射場(chǎng)§3.6光柵光譜儀閃耀光柵3、一維光柵推導(dǎo)閃耀光柵衍射§3.6光柵光譜儀閃耀光