光柵光譜儀光路解析及光柵選用技術要點

引言

光譜(Spectrum;Optical Spectrum)是復色光（如太陽光、燈光）經過色散系統（如棱鏡、光柵）分光后，不同波長的光按波長（或頻率）大小依次排列形成的圖案。從更準確的物理學角度看，光譜記錄了不同顏色的光分別有多亮（即光強隨波長的分布情況）。

光譜本質上描述了光強隨波長（或頻率）的分布，其物理根源在于電子運動狀態的變化（躍遷）及其動態過程，具體涵蓋原子/分子的能級躍遷、固體能帶間躍遷、自由電子-自由電子躍遷、分子振動/轉動能級躍遷以及復合輻射等機制。根據產生與觀測方式的不同，光譜可分為若干類型：發射光譜（如熱輻射、復合輻射、自熒光、電致發光、光致發光等）、散射光譜（包括拉曼散射、布里淵散射、瑞利散射、康普頓散射、湯姆遜散射等），以及吸收與反射光譜。這些光譜形式共同為研究物質結構、能級分布及動力學行為提供了關鍵實驗依據。

圖1 光譜儀的基本組成

光譜儀的基本組成如圖1 所示。光輻射由狹縫(位于準直鏡的焦平面上) 進入分光系統，經準直鏡的平行光束投射于色散元件。各種波長的光被色散到不同的方向，物鏡將各波長平行光束聚焦，在物鏡焦面上形成各波長的單色狹縫像，這樣就獲得了光譜。如果在光譜焦面上只有一個出射縫，用于檢測可調節的單一波長信號強度的光譜儀稱之為單色儀，而焦面上有多個出射縫，可同時檢測多個波長光譜信號強度的是多色儀或多通道單色儀。

光譜儀是一種靈敏度高、適應性廣、分析速度快、使用方便的光譜分析儀器。根據分光方式的不同，光譜儀常見的可以分為兩類：棱鏡攝譜儀和光柵光譜儀。由于棱鏡攝譜儀的色散系統由棱鏡系統組成，它的工作范圍受到棱鏡材料的限制。與之相比，光柵光譜儀的波長范圍寬，色散率和分辨率高等特點，因此目前已成為主要的光譜分析儀器^[1]。

光柵光譜儀

光柵光譜儀通常需具備兩大基本功能：一是色散功能，由光柵將入射光按波長在空間上分離；二是成像功能，由透鏡或反射鏡等光學元件實現光路的傳輸、匯聚與準直，確保不同波長的光能夠清晰、高效地聚焦于探測器平面，從而獲得具有高分辨率和信噪比的光譜信息。  

圖2 光柵光譜儀分光原理

目前普遍采用的光路結構為切尼-特納結構（圖2），簡稱C-T結構。整個光路主要由準直反射鏡、光柵和聚焦反射鏡三個光學原件組成。C-T結構形式上又可分為基本型C-T結構，其光路結構因形狀像字母“M"，故常被稱為M型C-T結構。另一種光路結構是由M型光路演變而來，其將光路進行了交叉、折疊式，所以稱其為交叉型C-T光路結構，通過光路的折疊，使其結構更緊湊，整體光路尺寸更小。

M型光路在像散優化中具有明顯的優勢，可將像散校正到一個很低的水平。相較于交叉式切尼-特納(czerny-turner)光路，該光路的光譜分辨率相對較高。交叉型光路交叉式切尼-特納(czerny-turner)光路結構的慧差相對于M型光路來說要更小，慧差可以被校準到一個比較理想的數值，并且得到的光譜斑點較為規整。因交叉式光路最為緊湊，所以微型光譜儀通常采用交叉式光路。而針對于分辨率要求比較高的場合，則更多的采用M型光路。

在選配光柵光譜儀時，要合評估多個關鍵參數，包括光柵類型與刻線密度、光譜儀焦距、波長準確度與重復性、倒線色散、光譜帶寬、分辨率以及雜散光水平等。本文將重點圍繞光柵進行探討，為實際選型提供基本思路。

光柵的選型

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個系統性能。光柵分為刻劃光柵、復制光柵、全息光柵等。刻劃光柵是用鉆石刻刀在涂薄金屬表面機械刻劃而成；復制光柵是用母光柵復制而成。典型刻劃光柵和復制光柵的刻槽是三角形，經典刻劃方法制成的光柵可以是平面或者凹面，每道溝槽互相平行。全息光柵是由激光干涉條紋光刻而成，溝槽可以是均勻平行的或者 是為了優化性能而特別設計的不均勻分布。全息光柵可在 平面、球面、超環面以及很多其他類型表面生成。

反射式衍射光柵是在襯底上周期地刻劃很多微細的刻槽，一系列平行刻槽的間隔與波長相當，光柵表面涂上一層高反射率金屬膜。光柵溝槽表面反射的輻射相互作用產生衍射和干涉。對某波長，在大多數方向消失，只在一定的有限方向出現，這些方向確定了衍射級次。如圖所示，光柵刻槽垂直輻射入射平面，輻射與光柵法線入射角為α，衍射角為β，衍射級次為m，d為刻槽間距，在下述條件下得到干涉的極大值：mλ=d（sinα+sinβ）

從該光柵方程可看出：對一給定方向β，可以有幾個波長與級次m相對應λ滿足光柵方程。比如600nm 的一級輻射和300nm 的二級輻射、200nm 的三級輻射有相同的衍射角，這就是為什么要加消多級光譜濾光片輪的意義。

衍射級次m可正可負。對相同級次的多波長在不同的β分布開。含多波長的輻射方向固定，旋轉光柵，改變α，則在α+β不變的方向得到不同的波長。

如何選用光柵？

光柵作為重要的分光器件，它的選擇與性能直接影響整個系統性能。選擇光柵主要考慮如下因素：

1、光柵刻線，光柵刻線數直接關系到光譜分辨率與使用范圍，光柵刻線越高，將得到越高的光譜分辨率，但光譜范圍越窄，光譜強度越弱，因此，需要根據試驗條件靈活選擇；

2、閃耀波長，閃耀波長為光柵最大衍射效率點，因此選擇光柵時應盡量選擇閃耀波長在實驗需要波長附近。如實驗為可見光范圍，可選擇閃耀波長為500nm ；

3、使用范圍，光柵的使用的下限通常可認為是光柵閃耀波長的一半，上限可認為是光柵閃耀波長的二倍，實際可參考光柵效率曲線圖；

4、光柵效率，光柵效率是衍射到給定級次的單色光與入射單色光的比值。光柵效率愈高，信號損失愈小。為提高此效率，除提高光柵制作工藝外，還采用特殊鍍膜，提高反射效率。

5、鬼線：如果衍射光柵上存在周期性刻劃失誤，那么鬼線(并非散射光)將聚焦在衍射平面上。全息光柵沒有鬼線，因為它不可能出現周期性的刻劃失誤，所以它是克服鬼線問題*好的解決方案。

6、工作波長高于1.2um的紅外波段，無法選用離子刻蝕全息光柵；以及需要寬光譜范圍時一般選用低密度刻線光柵。

光柵光譜儀的性能并非僅由光柵決定，而是光柵參數、光路結構、探測器特性及狹縫設置協同作用的結果。在具體應用中，光柵的刻線密度與閃耀波長應首先匹配所需的測量波段與分辨率要求；在此基礎上，還需結合光譜儀的焦長、數值孔徑及探測器像元尺寸，綜合評估實際可達的光譜分辨率和信號采集效率。

后續我們將繼續圍繞光譜儀的設計與選型展開介紹，內容涵蓋光譜儀焦距、準確度與重復性、倒線色散、帶寬、分辨率、雜散光等關鍵參數。歡迎持續關注卓立漢光公眾號，獲取更多光譜學知識與技術動態。

參考文獻

[1] 劉漢臣, 王秋萍, 張崇輝, 等. 光柵掃描光譜儀參數的研究[J]. 應用光學, 2008, 29(4): 595-598.

[2] 王興權. 光柵光譜儀原理及設計研究[D]. 長春理工大學, 2005.