CN203688069U

CN203688069U - 紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置

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Publication number: CN203688069U
Application number: CN201320772122.3U
Authority: CN
Inventors: 武进田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2023-11-26

Abstract

一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，包括依光路顺次连接的光源、聚光镜、第一分光系统和第二分光系统，所述光源用于发出所需之光谱，所述聚光镜用于将光源发出的光会聚于第一分光系统的入射狭缝，所述两个分光系统之一为光栅分光系统，另一为棱镜分光系统。本实用新型仅采用一块光栅就实现了宽波长范围的分光，整个紫外光谱区还得到了高的能量效率和较好的整个波段的杂散光指标。

Description

紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置

技术领域

本实用新型有关一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置。

背景技术

在从紫外到近红外较宽的波长范围分光(如从190nm到3000nm分光)，现有的光栅分光系统技术是用多种光栅(如三种，紫外光和可见光用一种，可见光和近红外光用一种，近红外长波用一种)组合进行，不同的波段使用不同的光栅，使每种光栅都工作在衍射效率较高的波段，几种光栅组合起来覆盖整个波段。因光栅衍射效率，尤其是紫外光栅其紫外波段的衍射效率只是在闪耀波长附近小范围波段较高，因而这种技术有两点明显的不足：

(1)尽管紫外波段专用一种紫外闪耀的光栅，但仍难以保证整个紫外波段有满意的衍射效率；

(2)这种技术因一个分光单元使用多种(个)光栅，因而光栅机构繁杂，成本高。

发明内容

本实用新型提供一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，以解决现有技术中光栅分光系统用多种光栅组合，机构复杂且紫外波段衍射效率不均匀的技术问题。

为此，本实用新型发明一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其中，包括依光路顺次连接的光源、聚光镜、第一分光系统和第二分光系统，所述光源用于发出所需之光谱，所述聚光镜用于将光源发出的光会聚于第一分光系统的入射狭缝，所述两个分光系统之一为光栅分光系统，另一为棱镜分光系统；所述棱镜分光系统包括依光路顺次连接的棱镜分光系统入射狭缝、第一准直镜、棱镜、第二准直镜和棱镜分光系统出射狭缝，所述第一准直镜用于将进入棱镜分光系统入射狭缝的发散光变为照射到棱镜的平行光，所述棱镜利用色散机理进行分光，所述第二准直镜用于将经棱镜分光后的平行光变为会聚于棱镜分光系统出射狭缝的光；所述光栅分光系统包括依光路顺次连接的光栅分光系统入射狭缝、第三准直镜、光栅、第四准直镜和光栅分光系统出射狭缝，所述第三准直镜用于将进入光栅分光系统入射狭缝的发散光变为照射于光栅的平行光，所述光栅利用衍射干涉原理进行分光，所述第四准直镜将所述光栅分解的平行单色光变为会聚于光栅分光系统出射狭缝的会聚光。

所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其中，所述光栅分光装置对紫外可见光波段满足mλ≈λ_p，其中m为所述光栅系统的光谱级次，只取整数；λ为输出波长；λ_p为所述光栅的闪耀波长。λ_p满足光栅方程λ_p＝d(s inα_p±s inβ_p)，其中d为光栅常数，即光栅相邻刻槽之间的距离，α_p为光λ_p在光栅上的入射角，β_p为光λ_p在光栅上的衍射角，正负号“±”与光路结构与光栅旋转方向有关，确定的系统中取“+”或取“-”，只取一种。对实际单色器系统，上式中的α_p和β_p之和为常量，因此实际只有一个变量，工作时转动光栅转角，当光栅上入射角α＝α_p时，光栅分光系统的输出光定位于λ_p。

所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其中，所述光栅的闪耀波长λ_p设在中长波段。

所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其中，所述棱镜分光系统，工作时其中心波长与光栅分光系统输出波长λ协调一致，且光谱带宽满足下面二者中的较小的值，

δλ<|λ₂-λ|和δλ<|λ₁-λ|

其中δλ为棱镜分光系统的光谱带宽，λ₂是光栅分光系统比波长λ高一级次的光谱，λ₁是光栅分光系统比波长λ低一级次的光谱，上式中的λ₂，λ₁，λ须满足(m+1)λ₂＝mλ和(m-1)λ1＝mλ，m是欲输出的波长λ的级次。

本实用新型达到的有益技术效果在于，仅采用一块光栅就实现了宽波长范围的分光，整个紫外光谱区还得到了高的能量效率和较好的整个波段的杂散光指标。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的光路示意图；

图2是本实用新型第二实施例的光路示意图。

附图标记说明

光源-1；聚光镜-2；棱镜分光系统入射狭缝-3；第一准直镜-4；棱镜-5；第二准直镜-6；光栅分光系统入射狭缝-7；第三准直镜-8；光栅-9；第四准直镜-10；光栅分光系统出射狭缝-11；棱镜分光系统出射狭缝-12。

具体实施方式

为了使本实用新型的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。

本实用新型由棱镜分光系统和光栅分光系统两个分光系统串联而成。光栅分光系统分光元件用一块小阶梯光栅，光栅刻槽密度每毫米数百条，闪耀波长在近红外，工作波长范围长波可到三千纳米左右。小阶梯光栅闪耀波长λ_p，对于短波波长λ，使用其高级次光谱，使得

mλ≈λ_p，(m＝±1，±2，±3，……，对于确定的系统，整数前的符号是确定的，要么是正要么是负，只取一种符号) (1)

对于其它较长的波长可取

(m-1)λ≈λ_p，(m-2)λ≈λ_p，……(2)

其中λ：欲输出的波长；

λ_p：光栅闪耀波长，在λ_p波长附近有较高的衍射效率；

m：光栅光谱级次，只取整数。

λ_p满足光栅方程λ_p＝d(sinα_p±sinβ_p)，其中d为光栅常数，即光栅相邻刻槽之间的距离，α_p为光λ_p在光栅上的入射角，β_p为光λ_p在光栅上的衍射角，正负号“±”与光路结构与光栅旋转方向有关，确定的系统中取“+”或取“-”，只取一种。对实际单色器系统，上式中的α_p和β_p之和为常量，因此实际只有一个变量。

工作时转动光栅转角，当光在光栅上入射角α＝α_p时，光栅分光系统的输出光定位于λ_p。

如果m设置得当，整个短波波段都能得到高的衍射效率，因其闪耀波长在近红外区，所以近红外的波段也有较高的衍射效率。但是使用高级次光谱的光栅分光系统会有不同级次的光谱重叠，输出的光不是单一光谱带宽的光，如分光系统输出波长为1000nm时，同时会有500nm，250nm(如果光源中有这些光的话)等波长的光输出，这是分光系统不能允许的，于是本实用新型用与之串联的棱镜分光系统将不同级次的光谱进行分离，得到单一光谱带宽的光(棱镜分光系统不会产生高级次光谱)。又因为有棱镜分光系统对光栅分光系统的光进一步的过滤提纯，所以这种分光系统的杂散光极低，有很好的杂散光指标。

这样本实用新型中光栅分光系统只用一块光栅就实现了宽波长范围的分光，整个紫外光谱区还得到了高的能量效率和较好的整个波段的杂散光指标。

波段按级次的划分。整个波段按所需最高级次m划分为m段。最短波的级次最高，从短波到长波级次依次降低到一级。光栅闪耀波长设在整个波段的中长波段某波长λ_p，对于欲输出的短波波长λ，使用其高级次光谱，使得

mλ≈λ_p

工作时随着分光系统波长λ的变化(增加)，mλ逐渐远离λ_p，衍射效率下降，这时就换用低一级次的(m-1)λ，使得

(m-1)λ≈λ_p

依此类推有(m-2)λ≈λ_p，(m-3)λ≈λ_p等等，每当衍射效率下降到一定程度时就降一级次，降一级次后又达到高的衍射效率，这样使得整个短波都有较高的衍射效率。

其中光栅分光系统的狭缝特点。

(1)同一光谱带宽的狭缝的几何宽度随级次不同而不同。光栅分光系统的狭缝(光输入输出口)的几何宽度根据所需要的光谱带宽δλ进行变换，同一个光谱带宽δλ，不同级次的光其狭缝的几何宽度δX也不同，高级次的光其狭缝的宽度宽，低级次的光其狭缝的几何宽度小。若一级光谱的狭缝几何宽度是δX，则m级光谱的几何宽度为mδX。

(2)狭缝几何宽度的数目较多。设分光系统系统的光谱带宽数是N，光谱最高级次数是m，则光栅分光系统需要的可变狭缝数是Nm，因m级次的光谱带宽δλ与m/2(或m/3，m/4等等，整数存在时，只取整数)级次的光谱带宽2δλ(或3δλ，4δλ等等)是很接近的可以共用，因此实际的光栅分光系统的可变狭缝数可以减少。

棱镜分光系统的光谱带宽δλ的特点。

本实用新型中棱镜分光系统的主要作用是滤除光栅分光系统的高级次光谱，其光谱带宽大于光栅分光系统的光谱带宽，但又不能太大让光栅分光系统除m级次以外其它级次的光通过。工作时，其中心波长与光栅分光系统波长λ协调一致，且光谱带宽满足下面二者中的较小的值。

δλ<|λ₂-λ|和δλ<|λ₁-λ|

其中δλ为棱镜分光系统的光谱带宽，λ₂是光栅分光系统比输出波长λ高一级级次光谱，λ₁是光栅分光系统比输出波长λ低一级级次光谱，上式中的λ₂，λ ₁，λ须满足(m+1)λ₂＝mλ和(m-1)λ₁＝mλ，m是欲输出波长λ的级次。

例如，m＝5，要求光栅分光系统输出波长240nm。因m＝5，光栅转角定位于240*5＝1200nm位置(设若λ_p＝1200nm)，对于高一级次的6级光谱，有1200nm/6＝200nm，低一级次的4级光谱有1200nm/4＝300nm，即光栅定位于1200nm处，要求的输出波长是240nm(因闪耀在1200nm，所以240nm(的5级谱)有高的衍射效率)，却有200nm和300nm(当然还有400nm，600nm)波长的光也同时输出。这就需要用棱镜分光系统过滤掉这些不需要的光谱。这时将棱镜中心波长定位于240nm，其光谱带宽应满足|200nm-240nm|和|300nm-240nm|两者中的较小的值40nm，当其光谱带宽符合这个要求时其它更远离5的级次的光谱就更易被过滤掉了。

一种满足上述条件的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，包括依光路顺次连接的光源1、聚光镜2、第一分光系统和第二分光系统。所述光源1用于发出所需之光谱。聚光镜2用于将光源1发出的光会聚于第一分光系统的入射狭缝(第一分光系统的光输入口)。

上述两个分光系统之一为光栅分光系统，另一为棱镜分光系统。这两个分光系统是串联关系，即从一个分光系统输出的光进入另一个分光系统，经另一个分光系统进一步分光后输出所需要的光。光栅分光系统的分光元件是小阶梯光栅，棱镜分光系统的分光元件是棱镜。

其中棱镜分光系统包括依光路顺次连接的棱镜分光系统入射狭缝3、第一准直镜4、棱镜5、第二准直镜6和棱镜分光系统出射狭缝12。所述棱镜分光系统入射狭缝3为一定宽度的长条形通光孔，作为分光系统的入射光的通道，入射狭缝的宽度与分光元件及光路结构一起，决定分光系统的光谱带宽(光谱带宽，通俗地说就是单色光的纯度)。所述第一准直镜4用于将进入棱镜分光系统入射狭缝3的发散光变为照射到棱镜的平行光。所述棱镜5为分光元件，利用其色散机理进行分光。所述第二准直镜6将经棱镜5分光后的平行光变为会聚于棱镜分光系统出射狭缝12的光。

其中光栅分光系统包括依光路顺次连接的光栅分光系统入射狭缝7、第三准直镜8、光栅9、第四准直镜10和光栅分光系统出射狭缝11。所述光栅分光系统入射狭缝7同样为一定宽度的长条形通光孔，作为光栅分光系统的入射光的通道。所述第三准直镜8用于将进入光栅分光系统入射狭缝7的发散光变为照射于光栅9的平行光。光栅9为分光元件，利用其衍射干涉原理进行分光。所述第四准直镜10将光栅9分解的平行单色光变为会聚于光栅分光系统出射狭缝11的会聚光。

在本实用新型的第一实施例中，以棱镜分光系统为第一分光系统，光栅分光系统为第二分光系统，为简便起见，将棱镜分光系统出射狭缝12和光栅分光系统入射狭缝7重合。其工作过程为：

光源1发出所需的光谱。聚光镜2将光源1发出的光会聚于棱镜分光系统入射狭缝3上，经棱镜分光系统入射狭缝3后的光是发散的，再经第一准直镜4变为平行光照射在棱镜5上，棱镜5将不同波长的光色散为不同角度的平行光，转动棱镜5可使所需的光照在第二准直镜6上，经第二准直镜6将所需的单色光会聚于光栅分光系统入射狭缝7(同时也是棱镜分光系统出射狭缝12)上，进入光栅分光系统。

进入光栅分光系统的光为发散光束，经第三准直镜8变换为平行光，照射于光栅9上，光栅9将经棱镜分光系统来的有一定光谱带宽的单色光，进一步分解为不同角度的平行光。转动光栅9，使所需的单色光照射在第四准直镜10上，经第四准直镜10会聚于光栅分光系统出射狭缝11，从光栅分光系统输出的光就是所需的单色光。

在本实用新型的第二施例中，第一分光系统为光栅分光系统，第二分光系统为棱镜分光系统。将棱镜分光系统入射狭缝3和光栅分光系统出射狭缝11重合。第二实施例与第一实施例中这两种光路形式是等效的，故在此不再赘述。

以上对本实用新型的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其特征在于，包括依光路顺次连接的光源、聚光镜、第一分光系统和第二分光系统，所述光源用于发出所需之光谱，所述聚光镜用于将光源发出的光会聚于第一分光系统的入射狭缝，所述两个分光系统之一为光栅分光系统，另一为棱镜分光系统；所述棱镜分光系统包括依光路顺次连接的棱镜分光系统入射狭缝、第一准直镜、棱镜、第二准直镜和棱镜分光系统出射狭缝，所述第一准直镜用于将进入棱镜分光系统入射狭缝的发散光变为照射到棱镜平行光，所述棱镜利用色散机理进行分光，所述第二准直镜用于将经棱镜分光后的平行光变为会聚于棱镜分光系统出射狭缝的光；所述光栅分光系统包括依光路顺次连接的光栅分光系统入射狭缝、第三准直镜、光栅、第四准直镜和光栅分光系统出射狭缝，所述第三准直镜用于将进入光栅分光系统入射狭缝的发散光变为照射于光栅的平行光，所述光栅利用衍射干涉原理进行分光，所述第四准直镜将所述光栅分解的平行单色光变为会聚于光栅分光系统出射狭缝的会聚光。

2.如权利要求1所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其特征在于，所述分光装置紫外可见波段满足mλ≈λ_p，其中m为所述光栅系统的光谱级次，只取整数；λ为输出波长；λ_p为所述光栅的闪耀波长。

3.如权利要求2所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其特征在于，所述光栅的闪耀波长λ_p设在中长波段。

4.如权利要求2所述的紫外可见近红外分光光度计小阶梯光栅分光装置，其特征在于，工作时所述棱镜分光系统的中心波长与光栅分光系统中心波长λ协调一致，且光谱带宽满足下面二者中的较小的值，

δλ<|λ₂-λ|和δλ<|λ₁-λ|

其中δλ为棱镜分光系统的光谱带宽，λ₂是光栅分光系统比波长λ高一级级次光谱的波长，λ₁是光栅分光系统比波长λ低一级级次光谱的波长，上式中的λ₂，λ₁，λ须满足(m+1)λ₂＝mλ和(m-1)λ₁＝mλ，m是欲输出的波长λ的级次。