UV-1100紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的核心部分——分光系統(tǒng)之光柵

    光柵是分光系統(tǒng)的核心元件, 關(guān)系到紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)整機(jī)的質(zhì)量好壞、水平高低, 是一個(gè)非常重要的光學(xué)元件。

　　( 一) 光柵的分光原理

　　由光柵方程: d( sinα± sinβ) = mλ可知, 對(duì)于相同的光譜級(jí)數(shù)m, 以同樣的入射角α投射到光柵上的不同波長(zhǎng)λ1 、λ2 、λ3 ?組成的混合光, 每種波長(zhǎng)產(chǎn)生的干涉極大都位于不同的角度位置; 即不同波長(zhǎng)的衍射光以不同的衍射角β出射。這就說(shuō)明, 對(duì)于給定的光柵, 不同波長(zhǎng)的同一級(jí)主極大或次極大( 構(gòu)成同一級(jí)光柵光譜中的不同波長(zhǎng)譜線) 都不重合, 而是按波長(zhǎng)的次序順序排列,形成一系列分立的譜線。這樣, 混合在一起入射的各種不同波長(zhǎng)的復(fù)合光, 經(jīng)光柵衍射后彼此被分開了。這就是衍射光柵的分光原理。

　　( 二) 光柵的基本特性

　　光柵分為反射光柵和透射光柵兩類。在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)中, 應(yīng)用zui廣泛的是反射式衍射光柵, 通常稱為反射光柵。根據(jù)光柵基面的形狀是平面還是凹面, 反射式衍射光柵又分平面反射衍射光柵、凹面反射衍射光柵兩類。根據(jù)光柵刻槽的微觀形狀能否使衍射光能量定向地集中在某個(gè)方向, 又有閃耀光柵和非閃耀光柵之分。根據(jù)光柵是用機(jī)械刻劃方法還是用全息干涉方法制成的,還可分為刻劃光柵和全息光柵兩類。根據(jù)光柵成像的形狀, 還可分為普通光柵和平場(chǎng)光柵( 一般的平面或凹面光柵在出射狹峰上所成的像是彎曲不平的, 而平場(chǎng)光柵在出射狹峰上所成的像是平面像)。下面簡(jiǎn)單討論一下使用zui多的平面反射衍射光柵的光譜特性。

　　1. 光柵光譜的特點(diǎn)

　　(1 ) 光柵光譜的多級(jí)次性經(jīng)棱鏡色散后形成的光譜, 只是按波長(zhǎng)次序排列成一個(gè)單一的光譜。而經(jīng)衍射光柵色散后形成的光譜, 則是包含m = 0、±1、±2、±3?所有級(jí)次光譜的總和。同一塊光柵對(duì)同一束入射復(fù)合光可在不同位置形成一系列不同級(jí)次的光譜, 在m = 0 兩側(cè)有對(duì)稱分布的正級(jí)次光譜和負(fù)級(jí)次光譜。因此, 光柵光譜的多級(jí)次性是原理性的、本質(zhì)的, 是不可避免的。光柵的這個(gè)特性, 將對(duì)光柵的應(yīng)用產(chǎn)生許多相應(yīng)的問(wèn)題, 它會(huì)直接對(duì)紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的光譜分辨率和光譜的檢測(cè)造成困難, 這是所有紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的設(shè)計(jì)者、制造者、使用者必須重視的問(wèn)題。

　　(2 ) 光柵光譜的級(jí)次重疊由光柵方程d( sinα±sinβ) = mλ可知, 波長(zhǎng)為λ的一級(jí)( m = 1 ) 光譜線、波長(zhǎng)為λ/ 2 的二級(jí)( m = 2 ) 光譜線、波長(zhǎng)為λ/ 3的三級(jí)( m= 3) 光譜線等都具有同樣的衍射角, 即βλ, 1 = βλ/ 2 , 2 = βλ/ 3 , 3 = ? =βλ/ m , m 。這就是衍射光柵光譜的級(jí)次重疊。即衍射光柵在同一位置有不同級(jí)次的不同波長(zhǎng)的光譜線。在寬波段范圍內(nèi)進(jìn)行高分辨率光譜研究或光譜分析工作時(shí), 光柵光譜的級(jí)次重疊是非常明顯的, 必須采取有力的措施, 把不需要的波段隔離掉或?yàn)V掉; 如采用前置單色器或相應(yīng)波段的濾光片等。只有這樣, 才能避免不需要級(jí)次光譜的干擾, 才能保證紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的分辨率和分析測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

　　(3 ) 光柵光譜的勻排性由光柵方程d( sinα±sinβ) = mλ可知, 在衍射角不太大的情況下( 如在一級(jí)光譜內(nèi), 靠近光柵法線區(qū)域時(shí)) , 不同波長(zhǎng)光譜線的位置基本上與其波長(zhǎng)值成比例。因此, 光柵光譜中的各個(gè)波長(zhǎng)譜線排列比較均勻, 并隨著波長(zhǎng)值線性增加或減少, 相應(yīng)的光柵光譜線的位置( 如離光柵法線的距離) 也線性變化。光柵光譜的排列比較均勻, 不同波長(zhǎng)區(qū)中同樣波長(zhǎng)差的兩根譜線之間的距離變化不太大。光柵光譜的勻排性不但使光譜更加整齊、勻稱, 而且對(duì)定性分析時(shí)初步判斷、估計(jì)譜線的波長(zhǎng)值等比較方便。在棱鏡光譜中, 由于不同波長(zhǎng)的光線受到不同程度的折射而被色散。而棱鏡材料對(duì)不同波長(zhǎng)的折射率變化是不與波長(zhǎng)成線性的。棱鏡材料在短波方向的折射率的變化要比長(zhǎng)波區(qū)的變化大得多。因此, 棱鏡光譜中的譜線排列情況是不均勻的。在短波區(qū), 因d n/ dλ大, 譜線排列非常稀疏, 而在長(zhǎng)波區(qū), 則因d n/ dλ小, 譜線排列非常稠密。所以, 同樣大小的波長(zhǎng)差值, 相應(yīng)的譜線之間的距離, 短波處要大于長(zhǎng)波處。因此, 棱鏡在紫外區(qū)的色散要比可見(jiàn)、近紅外區(qū)的色散大。所以, 有些紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)( 特別是紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)) 都用石英棱鏡作前置單色器, 就是這個(gè)道理。

　　此外, 在譜線的波長(zhǎng)分布順序方面, 光柵與棱鏡也是不同的; 在光柵光譜中, 波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光線衍射角數(shù)值越大, 譜線越偏離光柵法線。在棱鏡光譜中,波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光線, 偏向角越小, 相應(yīng)的譜線分布越接近入射角方向的位置。

　　2. 平面衍射光柵的角色散率

　　光柵的角色散率有以下特點(diǎn):

　　① 光柵的角色散率與光譜級(jí)次m 成正比; 即次光譜具有高色散率。因此, 次光譜更適合高分辨率光譜工作。

　　② 光柵的角色散率與光柵常數(shù)d 成反比, 說(shuō)明光柵的刻槽密度越高的光柵其色散率越高。

　　③ 光柵的角色散率還與cosβ成反比,因此隨著衍射角β增大, 光柵的角色散率也會(huì)增大。

　　3. 平面衍射光柵的分辨率

　　平面衍射光柵的分辨率的定義是: 設(shè)光柵的工作寬度為B = N d ( d 為光柵常數(shù), N 為光柵的刻槽總數(shù)) , 則衍射方向光束的寬度D =Bcosβ或D= Ndcosβ。

　　由光柵的角色散率公式( 3-1 ) 可得波長(zhǎng)差為Δλ的兩條譜線的夾角dβ= mΔλ/

　　dcosβ, 設(shè)此兩條譜線恰是剛能被分辨的zui靠近的兩條譜線, 則他們之間的夾

　　角應(yīng)等于zui小可分辨角, 即mΔλ/ dcosβ= λ/ N dcosβ。

　　4. 反射衍射光柵的閃耀

　　反射衍射光柵將入射到它上面的復(fù)合光分別衍射、分配到各級(jí)次的光譜中。在光柵對(duì)入射光產(chǎn)生衍射作用的同時(shí), 光柵刻槽上的每個(gè)工作面相當(dāng)于一個(gè)小鏡面, 也會(huì)反射入射光。當(dāng)光柵對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的入射光形成的衍射光方向正好與該波長(zhǎng)在工作面上的鏡面反射方向吻合時(shí), 此波長(zhǎng)的出射光將比其他波長(zhǎng)更明亮或更耀目。稱此為閃耀。光柵閃耀波長(zhǎng)就是指的在這個(gè)波長(zhǎng)上, 光柵的出射能量zui強(qiáng)。

　　關(guān)于光柵的出射能量問(wèn)題, 在此需要指出的是, 并不是光柵在閃耀波長(zhǎng)上輸出的能量大就好, 而是要在整個(gè)波段內(nèi), 輸出能量平坦才比較好。

　　如果一塊光柵是對(duì)一級(jí)光譜的波長(zhǎng)λb 閃耀的, 那么在二級(jí)光譜中, 將對(duì)波長(zhǎng)為λb/ 2 的光線也產(chǎn)生閃耀作用, 在三級(jí)光譜中, 對(duì)波長(zhǎng)為λb/ 3 的光線也產(chǎn)生閃耀作用。在閃耀波長(zhǎng)處, 光柵的相對(duì)光強(qiáng)度zui高。隨著波長(zhǎng)偏離閃耀波長(zhǎng), 衍射效率逐漸下降, 而且, 如圖3-17 所示, 在短于閃耀波長(zhǎng)的一側(cè)下降更快。

　　5. 光柵譜線的彎曲

　　由于光柵對(duì)來(lái)自狹縫中心點(diǎn)的光線和來(lái)自狹縫非中心點(diǎn)的光線的衍射程度不同, 因此就產(chǎn)生了光柵譜線的彎曲。波長(zhǎng)值越大的譜線彎曲得越厲害( 棱鏡譜線彎曲與此相反)。但光柵譜線的彎曲程度比棱鏡譜線彎曲要小。

　　6. 光柵的放大率及全息光柵

　　(1 ) 光柵的放大率如同不在zui小偏向角下工作的色散棱鏡一樣, 如果光柵不工作在衍射角等于入射角的對(duì)稱狀態(tài), 也會(huì)對(duì)光束產(chǎn)生一個(gè)附加的放大率

　　(2 ) 全息光柵全息光柵也是目前使用很多的光柵。當(dāng)兩束相干的平行光束交會(huì)時(shí), 會(huì)形成一系列平行、等距的直線狀干涉條紋。高能量、高單色性的激光和高質(zhì)量的光致抗蝕劑的發(fā)展, 使得利用光干涉條紋制作衍射光柵的設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)。

　　7. 全息光柵的特點(diǎn)

　　① 工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生鬼線和伴線, 這是廣大使用者zui歡迎的。② 不存在刻劃光柵刻槽的微觀不規(guī)則或毛刺等缺陷, 所以雜散光遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刻劃光柵的雜散光。③ 適當(dāng)改變制作條件, 就可制作成消像差的全息光柵。④ 可以制作任意尺寸的全息光柵。⑤ 制造周期短。⑥ 制造成本低。

　　一般來(lái)講, 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)對(duì)光柵的基本要求都非常高。歸納起來(lái)主要有以下幾條: ①雜散光要小; ②輸出能量曲線要平滑, 即從長(zhǎng)波到短波, 輸出能量曲線起伏要小、平滑; ③波長(zhǎng)范圍要寬, 目前一般紫外可見(jiàn)區(qū)使用的光柵, 其波長(zhǎng)范圍可達(dá)190～900 或1000nm; ④分辨率要高。