紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置制造方法
【專利摘要】一種紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，包括依光路順次連接的光源、聚光鏡、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)，所述光源用于發(fā)出所需之光譜，所述聚光鏡用于將光源發(fā)出的光會聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫，所述兩個分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)。本實用新型僅采用一塊光柵就實現(xiàn)了寬波長范圍的分光，整個紫外光譜區(qū)還得到了高的能量效率和較好的整個波段的雜散光指標。
【專利說明】紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型有關(guān)一種紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在從紫外到近紅外較寬的波長范圍分光(如從190nm到3000nm分光)，現(xiàn)有的光柵分光系統(tǒng)技術(shù)是用多種光柵(如三種，紫外光和可見光用一種，可見光和近紅外光用一種，近紅外長波用一種)組合進行，不同的波段使用不同的光柵，使每種光柵都工作在衍射效率較高的波段，幾種光柵組合起來覆蓋整個波段。因光柵衍射效率，尤其是紫外光柵其紫外波段的衍射效率只是在閃耀波長附近小范圍波段較高，因而這種技術(shù)有兩點明顯的不足:
[0003](I)盡管紫外波段專用一種紫外閃耀的光柵，但仍難以保證整個紫外波段有滿意的衍射效率；
[0004](2)這種技術(shù)因一個分光單元使用多種(個)光柵，因而光柵機構(gòu)繁雜，成本高。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型提供一種紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中光柵分光系統(tǒng)用多種光柵組合，機構(gòu)復雜且紫外波段衍射效率不均勻的技術(shù)問題。
[0006]為此，本實用新型發(fā)明一種紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其中，包括依光路順次連接的光源、聚光鏡、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)，所述光源用于發(fā)出所需之光譜，所述聚光鏡用于將光源發(fā)出的光會聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫，所述兩個分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)；所述棱鏡分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫、第一準直鏡、棱鏡、第二準直鏡和棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第一準直鏡用于將進入棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈涞嚼忡R的平行光，所述棱鏡利用色散機理進行分光，所述第二準直鏡用于將經(jīng)棱鏡分光后的平行光變?yōu)闀塾诶忡R分光系統(tǒng)出射狹縫的光；所述光柵分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的光柵分光系統(tǒng)入射狹縫、第三準直鏡、光柵、第四準直鏡和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第三準直鏡用于將進入光柵分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈溆诠鈻诺钠叫泄猓龉鈻爬醚苌涓缮嬖磉M行分光，所述第四準直鏡將所述光柵分解的平行單色光變?yōu)闀塾诠鈻欧止庀到y(tǒng)出射狹縫的會聚光。
[0007]所述的紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其中，所述光柵分光裝置對紫外可見光波段滿足m λ ^ λ ρ，其中m為所述光柵系統(tǒng)的光譜級次，只取整數(shù)；λ為輸出波長；λ ρ為所述光柵的閃耀波長。λ ρ滿足光柵方程λ p = d(s inap±s:?ηβρ),其中d為光柵常數(shù)，即光柵相鄰刻槽之間的距離，a ρ為光λ ρ在光柵上的入射角，βρ為光入5在光柵上的衍射角，正負號“ 土 ”與光路結(jié)構(gòu)與光柵旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，確定的系統(tǒng)中取“ + ”或取 只取一種。對實際單色器系統(tǒng)，上式中的βρ之和為常量，因此實際只有一個變量，工作時轉(zhuǎn)動光柵轉(zhuǎn)角，當光柵上入射角α = α P時，光柵分光系統(tǒng)的輸出光定位于λ P。
[0008]所述的紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其中，所述光柵的閃耀波長λ P設(shè)在中長波段。
[0009]所述的紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其中，所述棱鏡分光系統(tǒng)，工作時其中心波長與光柵分光系統(tǒng)輸出波長λ協(xié)調(diào)一致，且光譜帶寬滿足下面二者中的較小的值，
[0010]δ λ〈I λ2-λ I 和 δ λ〈I λ 廠入
[0011]其中δ λ為棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬，λ 2是光柵分光系統(tǒng)比波長λ高一級次的光譜，入1是光柵分光系統(tǒng)比波長λ低一級次的光譜，上式中的λ2，A1, λ須滿足(m+l)λ 2 = m λ和(m-1) λ I = m λ , m是欲輸出的波長入的級次。
[0012]本實用新型達到的有益技術(shù)效果在于，僅采用一塊光柵就實現(xiàn)了寬波長范圍的分光，整個紫外光譜區(qū)還得到了高的能量效率和較好的整個波段的雜散光指標。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型第一實施例的光路示意圖；
[0014]圖2是本實用新型第二實施例的光路示意圖。
[0015]附圖標記說明 [0016]光源-1 ;聚光鏡-2 ;棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫-3 ;第一準直鏡-4 ;棱鏡-5 ;第二準直鏡-6 ;光柵分光系統(tǒng)入射狹縫-7 ;第三準直鏡-8 ;光柵-9 ;第四準直鏡-10 ;光柵分光系統(tǒng)出射狹縫-11 ;棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫-12。
【具體實施方式】
[0017]為了使本實用新型的形狀、構(gòu)造以及特點能夠更好地被理解，以下將列舉較佳實施例并結(jié)合附圖進行詳細說明。
[0018]本實用新型由棱鏡分光系統(tǒng)和光柵分光系統(tǒng)兩個分光系統(tǒng)串聯(lián)而成。光柵分光系統(tǒng)分光元件用一塊小階梯光柵，光柵刻槽密度每毫米數(shù)百條，閃耀波長在近紅外，工作波長范圍長波可到三千納米左右。小階梯光柵閃耀波長λρ，對于短波波長λ，使用其高級次光譜，使得
[0019]m λ w λ p, (m = ±1, ±2, ±3,......，對于確定的系統(tǒng)，整數(shù)前的符號是確定的，
要么是正要么是負，只取一種符號)(I)
[0020]對于其它較長的波長可取
[0021](m-Ι) λ ~λρ，(m-2) λ ^ λ p,......(2)
[0022]其中λ:欲輸出的波長；
[0023]λρ:光柵閃耀波長,在λ ρ波長附近有較聞的衍射效率；
[0024]m:光柵光譜級次，只取整數(shù)。
[0025]λ ρ滿足光柵方程λ p = d (sin α p± sin β p)，其中d為光柵常數(shù)，即光柵相鄰刻槽之間的距離，αρ為光λρ在光柵上的入射角，βρ為光λρ在光柵上的衍射角，正負號“土”與光路結(jié)構(gòu)與光柵旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，確定的系統(tǒng)中取“ + ”或取只取一種。對實際單色器系統(tǒng)，上式中的βρ之和為常量，因此實際只有一個變量。[0026]工作時轉(zhuǎn)動光柵轉(zhuǎn)角，當光在光柵上入射角α = 0￡)時，光柵分光系統(tǒng)的輸出光定位于λ P。
[0027]如果m設(shè)置得當，整個短波波段都能得到高的衍射效率，因其閃耀波長在近紅外區(qū)，所以近紅外的波段也有較高的衍射效率。但是使用高級次光譜的光柵分光系統(tǒng)會有不同級次的光譜重疊，輸出的光不是單一光譜帶寬的光，如分光系統(tǒng)輸出波長為1000nm時，同時會有500nm，250nm(如果光源中有這些光的話)等波長的光輸出，這是分光系統(tǒng)不能允許的，于是本實用新型用與之串聯(lián)的棱鏡分光系統(tǒng)將不同級次的光譜進行分離，得到單一光譜帶寬的光(棱鏡分光系統(tǒng)不會產(chǎn)生高級次光譜)。又因為有棱鏡分光系統(tǒng)對光柵分光系統(tǒng)的光進一步的過濾提純，所以這種分光系統(tǒng)的雜散光極低，有很好的雜散光指標。
[0028]這樣本實用新型中光柵分光系統(tǒng)只用一塊光柵就實現(xiàn)了寬波長范圍的分光，整個紫外光譜區(qū)還得到了高的能量效率和較好的整個波段的雜散光指標。
[0029]波段按級次的劃分。整個波段按所需最高級次m劃分為m段。最短波的級次最高，從短波到長波級次依次降低到一級。光柵閃耀波長設(shè)在整個波段的中長波段某波長λρ，對于欲輸出的短波波長λ，使用其高級次光譜，使得
[0030]m λ & 入 ρ
[0031]工作時隨著分光系統(tǒng)波長λ的變化(增加)，πιλ逐漸遠離λρ，衍射效率下降，這時就換用低一級次的(m-1) λ，使得[0032](m-1) λ ~λ ρ
[0033]依此類推有(m-2) λ ^ λρ, (m-3) λ ^ λ ρ等等，每當衍射效率下降到一定程度時就降一級次，降一級次后又達到高的衍射效率，這樣使得整個短波都有較高的衍射效率。
[0034]其中光柵分光系統(tǒng)的狹縫特點。
[0035](I)同一光譜帶寬的狹縫的幾何寬度隨級次不同而不同。光柵分光系統(tǒng)的狹縫(光輸入輸出口)的幾何寬度根據(jù)所需要的光譜帶寬δ λ進行變換，同一個光譜帶寬δ λ，不同級次的光其狹縫的幾何寬度δ X也不同，高級次的光其狹縫的寬度寬，低級次的光其狹縫的幾何寬度小。若一級光譜的狹縫幾何寬度是S X，則m級光譜的幾何寬度為
m δ X。
[0036](2)狹縫幾何寬度的數(shù)目較多。設(shè)分光系統(tǒng)系統(tǒng)的光譜帶寬數(shù)是N，光譜最高級次數(shù)是m，則光柵分光系統(tǒng)需要的可變狹縫數(shù)是Nm，因m級次的光譜帶寬δ λ與m/2(或m/3，m/4等等，整數(shù)存在時，只取整數(shù))級次的光譜帶寬2 δ λ (或3δ λ，4δ λ等等)是很接近的可以共用，因此實際的光柵分光系統(tǒng)的可變狹縫數(shù)可以減少。
[0037]棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬δ λ的特點。
[0038]本實用新型中棱鏡分光系統(tǒng)的主要作用是濾除光柵分光系統(tǒng)的高級次光譜，其光譜帶寬大于光柵分光系統(tǒng)的光譜帶寬，但又不能太大讓光柵分光系統(tǒng)除m級次以外其它級次的光通過。工作時，其中心波長與光柵分光系統(tǒng)波長λ協(xié)調(diào)一致，且光譜帶寬滿足下面二者中的較小的值。
[0039]δ λ〈 I λ 2- λ I 和 δ λ〈 I λ「λ
[0040]其中δ λ為棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬，λ 2是光柵分光系統(tǒng)比輸出波長λ高一級級次光譜，λ i是光柵分光系統(tǒng)比輸出波長λ低一級級次光譜,上式中的λ2，λ 1； λ須滿足(m+Ι) λ 2 = mA和(m-Ι) λ j = mA , m是欲輸出波長λ的級次。[0041]例如，m= 5，要求光柵分光系統(tǒng)輸出波長240nm。因m= 5，光柵轉(zhuǎn)角定位于240*5 = 1200nm位置(設(shè)若λρ = 1200nm)，對于高一級次的6級光譜，有1200nm/6 =200nm，低一級次的4級光譜有1200nm/4 = 300nm,即光柵定位于1200nm處，要求的輸出波長是240nm(因閃耀在1200nm，所以240nm(的5級譜)有高的衍射效率)，卻有200nm和300nm(當然還有400nm，600nm)波長的光也同時輸出。這就需要用棱鏡分光系統(tǒng)過濾掉這些不需要的光譜。這時將棱鏡中心波長定位于240nm，其光譜帶寬應滿足|200nm-240nm|和
I 300nm-240nmI兩者中的較小的值40nm,當其光譜帶寬符合這個要求時其它更遠離5的級次的光譜就更易被過濾掉了。
[0042]一種滿足上述條件的紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，包括依光路順次連接的光源1、聚光鏡2、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)。所述光源I用于發(fā)出所需之光譜。聚光鏡2用于將光源I發(fā)出的光會聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫(第一分光系統(tǒng)的光輸入口)。
[0043]上述兩個分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)。這兩個分光系統(tǒng)是串聯(lián)關(guān)系，即從一個分光系統(tǒng)輸出的光進入另一個分光系統(tǒng)，經(jīng)另一個分光系統(tǒng)進一步分光后輸出所需要的光。光柵分光系統(tǒng)的分光兀件是小階梯光柵，棱鏡分光系統(tǒng)的分光兀件是棱鏡。
[0044]其中棱鏡分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3、第一準直鏡
4、棱鏡5、第二準直鏡6和棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫12。所述棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3為一定寬度的長條形通光孔，作為分光系統(tǒng)的入射光的通道，入射狹縫的寬度與分光元件及光路結(jié)構(gòu)一起，決定分光系統(tǒng)的光譜帶寬(光譜帶寬，通俗地說就是單色光的純度)。所述第一準直鏡4用于將進入棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3的發(fā)散光變?yōu)檎丈涞嚼忡R的平行光。所述棱鏡5為分光元件，利用其色散機理進行分光。所述第二準直鏡6將經(jīng)棱鏡5分光后的平行光變?yōu)闀塾诶忡R分光系統(tǒng)出射狹縫12的光。
[0045]其中光柵分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7、第三準直鏡
8、光柵9、第四準直鏡10和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫11。所述光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7同樣為一定寬度的長條形通光孔，作為光柵分光系統(tǒng)的入射光的通道。所述第三準直鏡8用于將進入光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7的發(fā)散光變?yōu)檎丈溆诠鈻?的平行光。光柵9為分光兀件，利用其衍射干涉原理進行分光。所述第四準直鏡10將光柵9分解的平行單色光變?yōu)闀塾诠鈻欧止庀到y(tǒng)出射狹縫11的會聚光。
[0046]在本實用新型的第一實施例中，以棱鏡分光系統(tǒng)為第一分光系統(tǒng)，光柵分光系統(tǒng)為第二分光系統(tǒng)，為簡便起見，將棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫12和光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7重合。其工作過程為:
[0047]光源I發(fā)出所需的光譜。聚光鏡2將光源I發(fā)出的光會聚于棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3上，經(jīng)棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3后的光是發(fā)散的，再經(jīng)第一準直鏡4變?yōu)槠叫泄庹丈湓诶忡R5上，棱鏡5將不同波長的光色散為不同角度的平行光，轉(zhuǎn)動棱鏡5可使所需的光照在第二準直鏡6上，經(jīng)第二準直鏡6將所需的單色光會聚于光柵分光系統(tǒng)入射狹縫7 (同時也是棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫12)上，進入光柵分光系統(tǒng)。
[0048]進入光柵分光系統(tǒng)的光為發(fā)散光束，經(jīng)第三準直鏡8變換為平行光,照射于光柵9上，光柵9將經(jīng)棱鏡分光系統(tǒng)來的有一定光譜帶寬的單色光，進一步分解為不同角度的平行光。轉(zhuǎn)動光柵9，使所需的單色光照射在第四準直鏡10上，經(jīng)第四準直鏡10會聚于光柵分光系統(tǒng)出射狹縫11，從光柵分光系統(tǒng)輸出的光就是所需的單色光。
[0049]在本實用新型的第二施例中，第一分光系統(tǒng)為光柵分光系統(tǒng),第二分光系統(tǒng)為棱鏡分光系統(tǒng)。將棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫3和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫11重合。第二實施例與第一實施例中這兩種光路形式是等效的，故在此不再贅述。
[0050]以上對本實用新型的描述是說明性的，而非限制性的，本專業(yè)技術(shù)人員理解，在權(quán)利要求限定的精神與范圍之內(nèi)可對其進行許多修改、變化或等效，但是它們都將落入本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其特征在于，包括依光路順次連接的光源、聚光鏡、第一分光系統(tǒng)和第二分光系統(tǒng)，所述光源用于發(fā)出所需之光譜，所述聚光鏡用于將光源發(fā)出的光會聚于第一分光系統(tǒng)的入射狹縫，所述兩個分光系統(tǒng)之一為光柵分光系統(tǒng)，另一為棱鏡分光系統(tǒng)；所述棱鏡分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫、第一準直鏡、棱鏡、第二準直鏡和棱鏡分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第一準直鏡用于將進入棱鏡分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈涞嚼忡R平行光，所述棱鏡利用色散機理進行分光，所述第二準直鏡用于將經(jīng)棱鏡分光后的平行光變?yōu)闀塾诶忡R分光系統(tǒng)出射狹縫的光；所述光柵分光系統(tǒng)包括依光路順次連接的光柵分光系統(tǒng)入射狹縫、第三準直鏡、光柵、第四準直鏡和光柵分光系統(tǒng)出射狹縫，所述第三準直鏡用于將進入光柵分光系統(tǒng)入射狹縫的發(fā)散光變?yōu)檎丈溆诠鈻诺钠叫泄?，所述光柵利用衍射干涉原理進行分光，所述第四準直鏡將所述光柵分解的平行單色光變?yōu)闀塾诠鈻欧止庀到y(tǒng)出射狹縫的會聚光。
2.如權(quán)利要求1所述的紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其特征在于，所述分光裝置紫外可見波段滿足mλ ^ λ ρ，其中m為所述光柵系統(tǒng)的光譜級次，只取整數(shù)；λ為輸出波長；λρ為所述光柵的閃耀波長。
3.如權(quán)利要求2所述的紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其特征在于，所述光柵的閃耀波長XpS在中長波段。
4.如權(quán)利要求2所述的紫外可見近紅外分光光度計小階梯光柵分光裝置，其特征在于，工作時所述棱鏡分光系統(tǒng)的中心波長與光柵分光系統(tǒng)中心波長λ協(xié)調(diào)一致，且光譜帶寬滿足下面二者中的較小的值，
δ λ〈 I λ 2- λ I 和 δ λ〈 I λ「λ 其中δ λ為棱鏡分光系統(tǒng)的光譜帶寬，λ 2是光柵分光系統(tǒng)比波長λ高一級級次光譜的波長，入1是光柵分光系統(tǒng)比波長λ低一級級次光譜的波長，上式中的λ2，A1, λ須滿足(m+Ι) λ 2 = m λ和( m-1) λ ι = m λ，m是欲輸出的波長λ的級次。
【文檔編號】G01J3/42GK203688069SQ201320772122
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】武進田 申請人:武進田