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復(fù)合光經(jīng)色散元素分光后，得到一條按波長順序排列的光譜，能將復(fù)合光束分解為單色光，并進行觀測記錄的設(shè)備稱為光譜儀。無論是在單道掃描型還是多通道型或全譜直讀型的任何光譜儀中，通常都希望：(a)有適當?shù)牟ㄩL范圍和波長選擇，(b)能從被檢測的輻射源的特定區(qū)域里采集盡可能多的光。為達到這兩個目標，系統(tǒng)將包括：(a)一個入射狹縫；它提供與狹縫尺寸相同的的輻射光帶，(b)一個能產(chǎn)生一束平行光的準直器，(c)一個或兩個組合的色散元件，(d)一個能使被色散的特定狹窄光帶重顯的聚焦元件，(e)一個或多個能使所需光帶分離的出射狹縫（全譜直讀型儀器無需出射狹縫）。在ICP光譜儀的分光系統(tǒng)中，采用的色散元件幾乎全都是光柵，在一些高分辨率的系統(tǒng)中，棱鏡也是分光系統(tǒng)中的一個組成部件。
1 、衍射光柵
平行、等寬而又等間距的多縫裝置稱為衍射光柵。它是利用光的衍射和干涉現(xiàn)象進行分光的一種色散元件，衍射光柵有透射式和反射式兩種，光譜儀常用的是反射光柵，它的縫是不透明的反射鋁膜。在一塊極其平整的毛壞上鍍上鋁層，刻上許多平行、等寬而又等距的線槽，每條線槽起著一個“狹縫”的作用，每毫米刻線有1200條、2400條或3600條，整塊光柵的刻線總數(shù)幾萬條到幾十萬條。
反射光柵從形狀上可分為平面光柵，凹面光柵和階梯光柵，從制作方法上又可分為機刻光柵和全息光柵。
在一般的反射光柵中，由于光柵衍射中沒有色散能力的零級衍射的主極大占去衍射光強的大部分（80%以上），隨著主極大的級次增高，光強迅速減弱（見右圖）。因此，使用這種反射光柵時，其一較弱，二級衍射更弱。為解決這個問題，將光柵的線槽刻成鋸齒形，使其具有定向“閃耀”能力，把能量集中分布在所需的波長范圍。光柵復(fù)制技術(shù)的發(fā)展，大大降低了生產(chǎn)成本并縮短生產(chǎn)周期，使光柵得到廣泛應(yīng)用。
2、ICP等離子體發(fā)射光譜儀的反射光柵
1) 光柵方程
根據(jù)光的衍射和干涉原理，當平行光束以α角入射于光柵時，則在符合下述方程的角β方向上獲得最大光強。
d(sinα+sinβ)=ml (m=0 ±1 ±2)
其中d-光柵常數(shù)，即相鄰兩縫的間距，α-入射角，β-出射角，m-衍射級次，或稱為光譜級次，l-衍射光的波長。
2) 平面反射光柵的特點
a) 根據(jù)光柵方程，當光柵常數(shù)d為定值時，對于同一方向（α一定）入射的復(fù)合光在同級光譜（m一定）中，不同波長l有不同的衍射角β與之對應(yīng)，因而可在不同的衍射方向之獲得不同波長的譜線（主極大）。這就是光柵的色散原理。
b) 對一定波長l的單色光而言，在光柵常數(shù)d和入射角α固定時，對于不同級次m(m=0 ±1 ±2……)可得到不同角β的衍射光，即同一波長可以有不同級次的譜線（主極大）。
c) 對于復(fù)合光，當m=0時，在β=-α的方向上，任何波長都可使光柵方程成立，即在此方向上，光柵的作用就象一面反射鏡一樣，將得到不被分光的零級光譜，入射光束中的所有波長都疊加在零級光譜中。當d和α為固定值時，對于不同波長、不同級次的光譜，只要其乘積ml等于上述定值，則都可以在同一衍射角β的方向上出現(xiàn),即
m1l1=m2l2= m3l3=……
例如，一級光譜中波長為l的譜線和波長為l/2的二級譜線，波長為l/3的三級譜線……重疊在一起（如圖）。這種現(xiàn)象稱為光譜級次的重疊。它是光柵光譜的一個缺點，對光譜分析不利，應(yīng)設(shè)法予以清除。在平面光柵光譜儀中，常用不同顏色的濾光片來消除這種級次重疊。同時為了獲得足夠的光能量，在ICP光譜分析中，通常選擇第一級（m=1）或第二級次（m=2）的光譜譜線。
3) 平面光柵光譜儀的主要性能
a) 色散率：光譜在空間按波長分離的程度稱為色散率，其表示方法有角色散率（dβ/dl）和線色散率（dl/dl）兩種，通常以線色散率倒數(shù)dl/dl表示儀器的色散能力，其單位為nm/mm。
光柵的角散率：dβ/dl=m/(d٠cosβ)
由此可見，角色散率與光譜級次m成正比。對于給定的波長范圍，由于平面光柵的β較�。�0-8°），cosβ變化不大（1-0.99），因而在同一個級次下，角色散率幾乎不變；二級光譜的角色散率為一級光譜角色散率的兩倍。
在Ebert裝置的平面光柵儀中，焦平面與光軸垂直, β=0-8°時，cosβ»1。此時線色散率倒數(shù)為：
dλ/dl@d/(f·m) f為成像物鏡的焦距。
可見，線色散率倒數(shù)與成像物鏡的焦距f、衍射光譜級次m成反比，即采用長焦距和高衍射級次的光譜有利于提高線色散率。同時平面光柵光譜儀的線色散率倒數(shù)只有在β角很小的情況下才接近常數(shù)，即隨波長的增加，線色散率倒數(shù)幾乎不變。
b) 分辨率：儀器的分辨率又稱分辯本領(lǐng)，是指儀器兩條波長相差極小的譜線，按Rayleigh原則可分開的能力。所謂Rayleigh原則，指一條譜線的強度極大值恰好落在另一條強度相近的譜線的強度極小值處，若此時這兩條譜線剛能被分開，則這兩條譜線的平均波長λ與波長差Δλ之比值，稱為儀器的理論分辨率R，即R=λ/Δλ。對于平面光柵，理論分辨率R=λ/Δλ=m·N，由此表明光柵的分辨率為光譜級次m與總刻線N的乘積，不隨波長改變而改變。
當級次m增加時，角色散率、線色散率及分辨率均隨之增加。這時光柵偏轉(zhuǎn)的角度也越大，它在衍射方向的投影也越少，因而光柵的有效孔徑也隨之越小，因此，光譜強度也相應(yīng)減弱。
實際分辨率由于受許多客觀誤差因素的影響，總是比理論分辨率差，一臺單色儀的分辨率是它能分辯的最小波長間距，這個波長間距不但有賴于儀器的分辯本領(lǐng)，而且也與狹縫的寬度、狹縫的高度及光學(xué)系統(tǒng)的完善性有關(guān)。在掃描式單色儀中，分辨率通常用半強度帶寬值報出（如圖）。
譜線是狹縫的單色像，雖然采用窄狹縫對提高分辨率有利，但是，如果用太窄的狹縫就會使光強度明顯地減弱，在平面光柵的ICP光譜儀中用的狹縫寬度一般為20um左右。
3、閃耀光柵
前面介紹的一般光柵具有色能力。但衍射能量的80%左右集中在不分光的零級光譜中，而有用的一、二級光譜依次減弱，因而實用價值很低。為了克服這一缺點，適當?shù)馗淖兎瓷涔鈻诺目滩坌螤�，使起“狹縫”作用的反射槽面和光柵平面形成一定的傾角e，如圖，即可將入射光的大部分能量集中到所需衍射級次的某個衍射波長附近，該波長稱為“閃耀波長”，這種現(xiàn)象稱為光柵的閃耀作用，這種光柵稱為閃耀光柵，也稱小階梯光柵，傾角e為閃耀角。
閃耀光柵的主要好處在于可使光能量集中在第一光譜級次（m=1）的λb與第二光譜級次（m=2）的λb/2附近。
a) 在“自準”條件下（a=b=e），閃耀波長與閃耀角的關(guān)系為2dSine=m·λbm，可根據(jù)需要的閃耀波長λbm來設(shè)計相應(yīng)的閃耀角e。
b) 光柵的閃耀并非只限于閃耀波長，而是在該閃耀波長附近的一定范圍內(nèi)也有相當程度的閃耀。
c) 如圖表示為閃耀光柵的特性。這種光柵的一級閃耀波長λb1=560nm，有86%的光強集中在一級，而其余14%被分配在零級和其他各級中。從該圖可以看出，該光柵的二級光柵光譜的閃耀波長λb2=560/2=280nm，實際上，光強的分布難與理論值完全相符，因為光柵刻線形狀不可能精確地控制使其完全一致，圖中表現(xiàn)了兩條曲線的差別。
總之，閃耀光柵可將某一波長的75-85%的光強集中到某一級次上，從而消除了一般光柵把光強集中在零級，而使其他級次的譜線變得很弱的缺點。
4中階梯光柵（echelle）
線色散率、分辨率、集光本領(lǐng)是評價光譜儀性能的重要指標，而這些性能又主要取決于所采用的色散元件—光柵，制造高性能的光柵一直是光譜儀技術(shù)追求的目標。
從光柵色散率公式可知，在自準條件下（a=b=e）
dl/dλ=(m·f)/(d·cosb)
提高線色散率可采用長焦距f、大衍射角b、高光譜級次m、減少兩刻線間的距離d（提高每毫米刻線數(shù)）。
從光柵分辨率公式可知
R=λ/Dλ=m·N
提高分辨率可增加光柵刻線總數(shù)N、用高衍射級次來解決。
在常規(guī)的光柵設(shè)計中，都是通過增加每毫米刻線數(shù)來提高線色散率和分辨率。事實上由于制造技術(shù)及成本原因，精確、均勻地在每毫米刻制2400條線已很困難，采用全息技術(shù)制造的全息光柵最高可達10000條，但由于槽面成正弦形，使閃耀特性受影響，集光效率下降。
1949年美國麻省理工學(xué)院的Harrison教授擺脫常規(guī)光柵的設(shè)計思路，從增加衍射角b，利用“短槽面”獲得高衍射級次m著手，增加兩刻線間距離d的方法研制成中階梯光柵（Echelle），這種光柵刻線數(shù)目較少（8-80條），使用的光譜級次高（m=28-200），具有光譜范圍寬、色散率大、分辨率好等突出優(yōu)點。但由于當時無法解決光譜級次間重疊的問題，在五、六十年代未受到重視，直到七十年代由于實現(xiàn)了交叉色散，將一維光譜變?yōu)槎S光譜，方得到實際應(yīng)用，隨著九十年代初二維半導(dǎo)體檢測器（CID）和(CCD)的應(yīng)用，中階梯光柵的優(yōu)點才在ICP光譜分析中充分的展顯出來。
光柵方程d(Sina+Sinb)=mλ 同樣也適用于中階梯光柵。在“自準”（a=b=e）時，m=2d·Sine/λ。
中階梯光柵不同于平面光柵，采用刻槽的“短邊”進行衍射，即閃耀角e很大（60°- 70°）；采用減少每毫米刻線數(shù)，即增大光柵常數(shù)d，因此，光譜級次m大大增加。例如IRIS Ad.全譜直讀ICP的光柵刻線為52.6條/mm，閃耀角e=64°，可計算出對應(yīng)λ=175nm的光譜級次m=189級，對應(yīng)λ=800nm的光譜級次m=42級。
對于衍射級次從42-189時，其閃耀波長分別在800-175nm光譜分析段內(nèi)，且這些閃耀波長間隔較近，即形成全波長閃耀，如圖。
中階梯光柵的角散率：db/dλ=(2·tgb)/λ
線色散率dl/dλ=(2·f·tgb)/λ
分辯率R=λ/Dλ=2·W/(λ·Sinb)
從上面三個公式可知，中階梯光柵的角色散率、線色散率和分辯率都與衍射角b有關(guān)，并隨著b增大而增大。因此，只要取足夠大的b值（取閃耀角接近衍射角b=64°），即相當于在較高級次下工作，就能獲得很大的角色散率、線色散率和分辯率。
對于一般平面光柵，線色散率dl/dx =(f·m)/d，必須依靠增大儀器的焦距，減小刻線間距（增加刻線條數(shù)）來增加線色散率。而中階梯光柵由于角色散率很大，不必依賴焦距的增加，就能獲得較大的線散率。例如焦距1米，3600條/mm的平面光柵在200nm處，一級光譜的倒數(shù)線色散率僅為0.22nm/mm，而0.5米焦距，52.6條/mm的中階梯光柵光譜儀在168級處同一波長的倒線色散率可達0.14nm/mm。由于中階梯光柵的角色散率足夠大，焦距反而可縮小（如0.5米），因此，儀器光室的體積大為縮小，使相對孔徑變大，光譜光強也得到提高。
由于線色散率大，中階梯光柵每一級光譜的波長范圍相當小，在這個范圍內(nèi)各波長的衍射角基本一致，而且各級基本上是在同一角度下（閃耀角）觀察整個波長范圍，所以均可達到很大閃耀強度，即“全波長閃耀”（見上圖）。另外，這種中階梯光柵它們相鄰的衍射光譜級次之間的能量分布如右圖所示，從圖中可以看出，同一波長的入射光的能量多被分布在兩個相鄰衍射光譜的級次里，由于最佳閃耀波段兩側(cè)能量銳減，如圖中虛線下方所示。故入射光強能量幾乎都被集中到如圖中虛線上方的閃耀波段中的該波長上，由此可知，中階梯光柵在175-800nm全波段范圍內(nèi)均有很強的能量分布，中階梯光柵其光譜圖象可聚焦在200mm2的焦面上，非常適合于半導(dǎo)體檢測器來檢測譜線。
中階梯光柵光譜儀各級之間的重疊用交叉色散棱鏡的辦法來解決，即棱鏡的色散方向與中階梯光柵的色散方向互相垂直，這樣在儀器的焦面上形成二維光譜圖象（如圖所示）。以IRIS Advantage ER/S為例：其光路如圖所示。其焦距0.5米，中階梯光柵刻線52.6條/mm，閃耀角64.1°，在42-189級時，其波長范圍175-800nm連接起來總長將近4米。
5、凹面光柵
凹面光柵是1882年羅蘭（Rowland）提出的，它是刻劃在球面的一系列等距刻槽的反射式衍射光柵。與平面光柵必須借助成像系統(tǒng)來形成譜線不同，凹面光柵在光路中兼具色散和聚焦兩種作用，因此在凹面光柵光譜儀中就只有狹縫、凹面光柵和檢測器組成，光路緊湊（如圖）。今天絕大部分直讀式光譜儀（包括火花、多通道ICP）均采用凹面光柵作為色散元件，但凹面光柵的象散問題是比較嚴重的。
6、光柵的誤差
在刻制光柵時，要求每條刻線必須很直，各刻線間嚴格地相互平行與等距，刻槽的幾何形狀必須完全一致。盡管光柵刻劃機屬精密機械之王，并在相當嚴格的環(huán)境下工作，但仍不可避免地存在機械誤差，因而在機刻光柵的光譜中會出現(xiàn)一些不真實的譜線稱為鬼線或伴線。
平面反射光柵都由機刻光柵（母光柵）復(fù)制而成，因而鬼線的出現(xiàn)，是這種光柵不可避免的缺陷。
7、全息光柵
隨著全息激光技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采用激光干涉照相法制作的衍射光柵，這種光柵稱為全息光柵。
在磨制好的光柵毛坯上均勻涂布一層光敏物質(zhì)，然后置于同一單色光源的兩束激光干涉場中曝光。把明暗相同的干涉條紋記錄在光敏層上。將已爆光的坯基浸入一種特殊的溶液中，涂層各部分由于所接受的曝光量不同而受到不同程度的溶蝕，從而在坯基上出現(xiàn)了與干涉條紋相當?shù)牟劬�，最后在真空中鍍上反射鋁膜和保護膜就制成全息光柵。
全息光柵的特點為：（1）無鬼線，雜散光極小。（2）衍射效率較低，全息光柵的槽形通常為近似正弦波形，這種槽形不具備閃耀條件，沒有明顯的閃耀特性。據(jù)稱，采用“離子蝕刻”技術(shù)的全息光柵，使光柵衍射效率得到較大提高。（3）分辨率高。由于全息技術(shù)使光柵刻線總數(shù)大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高。
