CN2349564Y - 一种单轴驱动的智能化光栅单色仪 - Google Patents

一种单轴驱动的智能化光栅单色仪 Download PDF

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郑玉祥
张荣君
夏国强
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赵海斌
杨月梅
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Abstract

本实用新型属于光学电子器件技术领域。其光栅结构以正多边形的形式置于旋转平台上,并覆盖整个光谱区,转台由高精度细分步进马达驱动,系统由计算机控制,本仪器仅用一个单轴驱动的机械装置同步完成波长扫描、光栅,以及滤光片置换等功能,并能免除设置机械限位开关的需要。本光栅单色仪机械设计和结构简单,光谱范围宽,性能稳定,易于调试和使用寿命长,可广泛用于各种光谱分析和测量。

Description

一种单轴驱动的智能化光栅单色仪
本实用新型属于光学电子器件技术领域，是一种单轴驱动的智能化光栅单色仪
单色仪是一种光子能量和波长选择器，是一种基本的光谱分析和测量仪器，在光学和光电子领域有着广泛的应用，是现代喇曼和荧光光谱、光吸收和光反射光谱，以及调制光谱等众多光谱分析仪器的核心光学器件。其中，在近紫外至近红外区，应用最广泛的是光栅型单色仪，这是利用了波动性的光子在光栅上产生衍射的原理。光栅结构通常为在具有一定尺寸的光学基板上刻有许多等间距的凹槽，如每毫米1200条或每毫米1800条等，实际条纹数目取决于具体的工作波长区和设计要求。光子落在这些细槽上，由于衍射的作用，将引起各光波的振幅和相位发生叠加，反射后的光子便会按能量或波长在空间有规则地排列起来，其关系式为：
dsinθm=mλ                             (1)式中d和θm分别是光栅的槽间距和第m级的波长为λ的光子在空间的分布角，(θm被定义为反射光子方向与光栅法线之间的夹角)。因此，如取m=1，就可在不同θ角位置上获得相应波长的第一级衍射光子。在传统光栅单色仪的设计中，均固定光子的入射和出射狭缝位置不变，而采用一个机械结构体控制光栅的θ角转动，对波长进行扫描，就能从出射狭缝中获得所需要的单色性光子。
采用上述结构的光栅单色仪，在实际使用中需要解决下述两个问题：
1．当单色仪在较宽的波长区工作时，为提高仪器的波长分辨率和获得最佳的信噪比质量，需要根据所工作的光谱波长区不断更换光栅。例如，在目前使用最多的200-1000nm波长范围，至少需要2块光栅，甚至三块光栅，方能较好地满足谱线精确测量的要求。
2．由公式(1)可知，在某θ角位置，m=1的较长波长和m=2(或更高次)较短波长的衍射光会同时出现。因此，根据实际的波长应用范围，至少需要使用一块甚至数块滤光片，将m=2(或更高次)的高次衍射光滤去，方能满足探测光子单色性的要求。
在目前大多数商品单色仪结构中，上述两个控制功能(置换光栅和滤色片)均通过独立的机械传动结构进行。这一方面增加了仪器的设计和结构复杂性，降低了可靠性，另一方面给使用带来许多不方便，尤其是置换光栅时，需对系统的波长位置进行重新精确定标和调整，十分费时和麻烦。因此，在传统光栅单色仪设计中，即：
机械驱动Mx→(光栅扫描，光栅置换，滤光片置换)
机械驱动Mx为三个独立的机械机构，分别实现波长扫描、光栅和滤光片置换等功能，(参考文献1．光栅单色仪产品说明书，OrielCorporation,250 Long Beach Blvd.Stratford,CT,06497-0872,USA。参考文献2．光栅单色仪产品说明书，Scientific MeasurementSystems,Inc.2527 Foresight Circle Junction,CO 81505-1007,USA)。这是传统光栅单色仪设计中的缺陷。
另外，当控制θ角转动时，在机械位移极限位置长短波长的两端，需采用专门的限位开关，以防止机械位移过头而对单色仪造成损坏。这也增加了系统设计和结构的复杂性。
本实用新型的目的在于对上述机械驱动的光栅单色仪加以改进，提出一种可简化机械结构、增加系统工作可靠性的智能化光栅单色仪。
本实用新型设计的智能化光栅单色仪由多块光栅、旋转平台、光电探测器、控制计算机组成，其中，多块光栅以正多边形的方式置于旋转平台上，这些光栅在波长200-1000nm波长范围内，可覆盖整个光谱区；旋转平台的旋转由一个高精度细分步进马达控制；从第二块光栅开始的各块光栅的前端分别放置一片高通滤光片，各滤光片的截止波长与对应光栅的前缘波长一致，滤光片与光栅同步旋转；此外，旋转平台上设有一个光偶定位检测器，可对转台的起始位置进行准确定位；步进马达、波长扫描由计算机控制。
在本实用新型中，按照公式(1)，当转台将第一块光栅转至对应的第一个波长区时，由于第一块光栅前端没有加滤色片，就可对相应的光谱区进行扫描；当通过转台将光栅置换成第二块光栅、第三块光栅……时，对相应波长的光谱区进行波长扫描；同时，该光栅前的滤色片同步将对应波长m≥2的高次衍射光自动滤去。
上述单色仪中，光栅的块数根据用户对光谱范围的需要而确定，一般可用3-6块光栅，组成正多边形的方式。例如，用3块光栅，可组成正三角形的形式；用4块光栅，可组成正四边形形式，如此等等；并使之覆盖整个光谱区。各块光栅的位置可以调换。
本仪器需在整个波长扫描范围完成各块光栅的精确定位，以及与步进马达扫描步长相对应波长的精确定位。这可以通过对高分辨率的标准线状光谱进行测量，然后由计算机拟合，获得马达旋转步长与扫描波长之间的对应关系，就能实现系统的精确定标，使得在全光谱工作范围内波长的扫描和控制精度可优于0.1nm。
由此可见，本实用新型仅通过一个单轴驱动的机械转动结构，便实现了波长扫描、光栅和滤光片同步置换的三种重要功能。由于转台处于无阻挡连续旋转过程中，将不会发生任何机械位移受阻事件，可免去任何附加的机械限位开关的需要。因此，本仪器机械设计和结构简单，光谱范围宽，性能稳定，易于调试；通过计算机定标，在全光谱工作范围内波长的扫描和控制精度可优于0.1nm；经长期使用，可确保其处于可靠的工作状态，大大减少了日常的维护工作量。上述这些都是本实用新型设计较之传统设计的优越之处。
下面结合附图和实施例，进一步描述本实用新型。
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型的结构原理图，其中，光栅为3块以正三角形方式设置于旋转平台上。
图中标号为：1为第一块光栅；2为第二块光栅；3为第三块光栅；4为旋转平台；5为步进驱动马达；6为控制的计算机。F2、F3分别为第二块光栅、第三块光栅前的滤光片；M1、M2为球面反射镜，S1、S2分别为入射和出射的狭缝。Light：光源，Grating RotationTable：光栅旋转台，Detector,A/D：光电探测器和A/D转换器，Drive：光栅转台驱动器，Computer：计算机。
实施例，如图1和图2所示，在传统光栅单色仪中光栅的固定位置，取代原有的机械结构，设置一个高精度旋转小平台，旋转平台由一个高精度(50000步/转)细分步进马达控制，驱动精度为50000步/度。将三块光栅以60度角等边三角形的方式置于转台上，这三块光栅的光谱区分别为：
光栅(1)．200-300nm,2400线/mm光栅，闪耀波长为250nm。
光栅(2)．300-600nm,1200线/mm光栅，闪耀波长为450nm。
光栅(3)．600-1000nm,600线/mm光栅，闪耀波长为750nm。它们可覆盖200-1000nm的全波长范围。在光栅(2)和(3)的前端分别放置一片高通滤光片，与光栅相对应的滤光片的截止波长分别为300nm和600nm。滤光片可与光栅同步旋转。在转台上设有一个光偶定位检测器，可对转台的初始转动位置进行准确定位，全部检测过程可用计算机编程进行精确控制。
根据上述设计，当转台将光栅(1)转至200-300nm波长区时，无需加滤光片，就能对波长进行扫描。当通过转台将光栅置换成光栅(2)或光栅(3)时，便能对相应的光谱区进行波长扫描，同时，该光栅前的滤光片同步将波长为300nm或600nm以下的高次衍射光自动滤去。因此，本设计仅通过一个机械转动结构，便实现了波长扫描、光栅和滤光片同步置换的三种重要功能。由于转台处于无阻挡连续旋转过程中，将不会发生任何机械位移受阻事件，可免去任何附加的机械限位开关的需要。
为了适应不同用户对光谱范围需要，可很容易在旋转平台上设置更多的光栅，如4块或5块光栅，组成等边多边形的方式，覆盖更宽的光谱区。各块光栅覆盖相对应的光谱区。在每块光栅前设置相应的滤光片，滤去与光栅光谱区对应的m≥2的高次衍射光。

Claims (3)

1、一种智能化光栅单色仪，由多块光栅、旋转平台、控制计算机组成，其特征在于多块光栅以正多形的方式设置于旋转平台上，这些光栅在波长200～1000nm波长范围内可覆盖整个光谱区；旋转平台的旋转由一个高精度的细分步进马达控制；从第二块光栅开始的各块光栅的前端分别放置一片高通滤光片，各滤光片的截止波长与对应光栅的前缘波长一致，滤光片与光栅同步旋转；旋转平台上设有一个对转台起始位置进行定位的光偶定位检测器；步进马达、波长扫描由计算机控制。
2、根据权利要求1所述的智能化光栅单色仪，其特征在于光栅块数为3～6块。
3、根据权利要求2所述的智能化光栅单色仪，其特征在于三块光栅以60度角的等边三角形方式设置于旋转平台上，其光谱区分别为：
光栅(1)．200-300nm,2400线/mm光栅，闪耀波长为250nm。
光栅(2)．300-600nm,1200线/mm光栅，闪耀波长为450nm。
光栅(3)．600-1000nm,600线/mm光栅，闪耀波长为750nm。在光栅(2)和(3)的前端分别设置一片高通滤光片，其截止波长分别为300nm和600nm。
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