关于光谱仪器介绍

[拼音]：guangpu yiqi

[外文]：spectroscopic instrument

用以获取按波长（频率或波数）排列的原子或分子光谱的仪器。光谱学因为研究的范围涉及原子和分子结构而在光学中形成一个独特的分支。光谱仪器也因此而与一般以成像为目的光学仪器相区别。光学和光学仪器已有几千年的历史，但是光谱学和光谱仪器的历史却不长，只能追溯到1666年I.牛顿在可见光区的分光试验。F.W.赫歇耳在1800年和J.W.里特在1801年分别将光谱范围扩展到红外和紫外。牛顿是用小孔获得光谱的，1802年W.H.渥拉斯顿改用狭缝，发现太阳光谱中有许多暗线；直到1814年J.von夫琅和费才认识到这些暗线有固定的位置，并用字母标注，随后他还用光栅测出它们的波长，后世就称之为夫琅和费谱线。1859年G.R.基尔霍夫阐述了表明物质特征的光谱定律，解释了夫琅和费谱线是太阳大气中物质呈现出的谱线自蚀现象，因而指出，如要对太阳大气进行化学分析，只消找到那些能在火焰中发射出与暗线波长相同的明线的某些物质就行了。于是他和R.W.E.本生考察了大量的夫琅和费谱线，认识到太阳大气中很多种元素与地球上相同。这就破除了对天体成分的神秘感。另外，从光谱考察中人们还可推知天体的温度、它的发光性质、运行速度等，这些成果不仅是对科学研究方法的贡献，而且对于唯物主义宇宙观起到重大的支持作用。

光谱仪器以其精确、敏捷、需用样品量少等特点而得到迅速发展，并广泛应用于基础理论、工农业、医药等众多方面，是许多实验室必备的仪器。人造卫星经常携带光谱仪器上天，不但考察宇宙，其中的多光谱扫描器也是勘探地球资源的非常有效的装置（见光学遥感）。

基本结构和性能

基本形式如图1所示：狭缝S位于准直物镜O1的焦面上，于是有平行光束射至色散元件(这里是棱镜)，光就被分解为光谱并最后聚焦于成像镜O2的焦面F上。所以光谱仪器也有其成像问题，就是要尽量减小像差，使光谱线清晰。特别重要的是要使相邻波长的光谱线分辨清楚。这与一般光学仪器中要分辨空间相邻物点的情况相似，所不同的是这里要分辨的是不同的波长。为了明确起见，称这里的分辨本领为色分辨本领或光谱分辨本领。和研究在空间分辨问题一样，常采用瑞利判据，就是当两个等强度的相邻波长的光各自形成其狭缝像时，如果一个的衍射极大正好落在另一个的衍射极小上，则认为它们是被分辨了。这样的综合曲线会有一个中间的极小，其强度约为极大峰值的80％。另外有一个比较宽的判据，称为斯帕罗判据，它仅要求当中有一个相对极小就行，而且这个判据还适用于两谱线强度不相等的情况。色分辨本领的定义是式中λ是所考察的区域的平均波长，δλ则为被分辨清楚的两波长之差，堸是波数。

光谱仪器的狭缝既是为了取得谱线，那么似乎愈狭对分辨愈有利。但是成像是衍射过程，即使狭缝是无限狭窄的，它的衍射像却不是无限狭窄的，光能分布在较大的范围内。如果稍稍放宽狭缝，光能的分布会逐渐集中于其几何像的范围内，而衍射像的半值宽度增长较慢。所以这时放宽些狭缝对分辨并无多大不利，却能使光能较为集中。当狭缝的几何像宽度等于无限窄狭缝的衍射像两极小间的距离之半时，狭缝的衍射像近于几何像，再放宽就不再对光能分布有利，却对分辨有害了。所以使用仪器时以取这一狭缝宽度为宜。它的值等于，其中f为准直物镜焦距，D为光束宽度。后面这个分数是仪器的结构所决定的；但λ 是波长，对于红外波段，狭缝应稍宽，因为红外光源往往较弱，正好可以补救，这是一种天然的巧合。有些红外吸收光谱仪器为了保证各区域有近于同等强度的连续光谱，能够自动按波长调节其狭缝宽度。

分类

光谱仪器有多种分类方法。较常见的有：按辐射的波段分为可见、紫外、红外等光谱仪器；按所用色散部件则分为棱镜、光栅和干涉光谱仪器。着眼于观测方面则传统分为分光镜、分光计和摄谱仪。后者指用照相方法记录光谱，是明确的。但分光镜原指用眼观察，而分光计则指可以进行测量（参见图1，在F后面加一目镜则和O2组成望远镜，利用其中叉丝可确定所观察谱线的波长）。不过这种区分实际上很难，所以分光计一词在英文中往往就指光谱仪器。此外，现代的光谱仪器中，探测器多采用光电和热电效应的器件，人眼已退居辅助的地位。光谱仪器的另一形式是单色器，这里暂时不安装探测器，却在F处安置一个出射狭缝，只让一定光谱带宽的准单色光通过。可见，单色器是分光计的一种特殊形式。如果有若干个出射狭缝可以同时获得多种准单色光，则称为多色器，光量计就是这样的一种仪器，在若干个出射狭缝后面各安置适当的探测器，配合计算机可迅速求出所需结果。双单色器是两个串联的单色器，前一个的出射狭缝成为后一个的入射狭缝，其目的是减少通过仪器的杂散光。有些光谱仪器以其工作原理所依据的物理现象命名，例如喇曼光谱仪器。还有些命名则指示其工作对象，如析钢镜。

光谱仪器中的主要部件即光源和探测器（见光谱光源、光探测器、热探测器）都已有专条介绍，这里只着重于色散部件。

是最常用的仪器，夫琅和费和基尔霍夫等就是用以作出他们历史性贡献的。棱镜作为色散部件既要求有足够大的色散，又要求它能充分透过所用波段的辐射。可见区多用火石玻璃；紫外区从近到远常用石英、萤石、氟化锂等；红外区从近到远则用氯化钠、溴化钾、碘化铯等。有些仪器为了能适用于宽阔的波段，用几块不同材料的棱镜交替插入光路中。

理论上棱镜的分辨本领是，式中b是棱镜底边(图1中下方线段)之长，是棱镜材料的折射率随波长的变率。棱镜的R大约可以达到104的数量级。注意分辨本领的关系式中并不包含棱镜的顶角，而顶角愈大，则色散愈大。可见增大色散并不能提高分辨本领。不过顶角一般取为60°，这是因为太大则在第二面会出现全反射；而且入射角愈大，反射的损失也愈大。由于分辨本领依赖于底边，意味着棱镜的尺寸要大，但由于材料等限制，所以解决的办法就用若干块棱镜相串联。为了给分辨本领一个数字的概念，要分辨钠黄线双线大约要求分辨本领为103，用一般火石玻璃作棱镜，其底边长度有1厘米就行了。

图1的安排中观察的方向不正对着光源，这在某些场合不够方便，于是有一种直视分光镜，它可以随身携带，亦称袖珍分光镜。这里使用阿米奇棱镜或称布朗宁棱镜（图2）。它由当中一块火石玻璃，两旁胶合两块冕牌玻璃所组成。火石玻璃棱镜对于某波长（例如 d线）的偏向作用可以正好为两块冕牌玻璃棱镜的作用所抵消，但是对其他波长则不能抵消，于是还是有展开的光谱，虽不太宽，但便于作一次概略的考察。可以采用五块或七块棱镜的组合以增宽光谱。为了小巧，常将望远镜省去。如果配以照相机，则可为简单的实验室提供一台小摄谱仪。

不论直视分光镜或如图1的分光镜，皆可附加一只光管，将一刻度尺经棱镜的最后一面投射成像于光谱之上。这样就可以不必转动望远镜而读取小范围内的谱线间的距离。但是这样各波长的光不能皆以最小偏向角通过棱镜，因而放大率互相稍异，谱线宽度也稍异，像差也较甚。这些都对分辨不利。

用恒偏向棱镜可以保持准直管和望远镜都不动而只转动恒偏向棱镜使各波长的光总以最小偏向通过棱镜。达到恒偏向的办法是将棱镜和一次反射相结合。一种常见的形式是阿贝棱镜或称佩林－布罗卡棱镜。它由两个“半棱镜”（30°、60°、90°的棱镜）和一块45°、45°、90°的反射棱镜所组成(图3中细线)，但一般是一整块。这里的恒偏向是90°(图中虚线间的角)。这种仪器以其紧凑方便应用于许多生产部门，例如析钢镜。

为了取得大色散和大分辨本领，可以用几块棱镜组成恒偏向棱镜组。常见的一种称为福斯特林棱镜组，它由两块等边三角形棱镜和一块阿贝棱镜组成（图4）。棱镜Ⅰ和Ⅲ的偏向作用相互抵消，所以恒偏向角还是90°。如果希望更高的分辨本领，则可以将它变为自准的形式。

自准是将光射回去，也就是恒偏向180°，可用利特罗装架法。这里使用一片利特罗反射镜，其情况见于图5的右上角。也可以只用棱镜P的一半，在这只半棱镜的最后一面镀银作为利特罗反射镜。对于珍贵的材料这样做最好，大型石英摄谱仪就采用这种结构。

是分光计和光度计的结合，用它可以求出光谱中各部分的相对强度，例如测定某物体的反射比按不同波长光的情况。最早的分光光度计出现于1870～1880年间，是目视的，应用旋转扇片轮，陆末－布洛洪光度头或偏振光等办法作为光度比较的手段。光电和热电探测器的兴起既避免了目视的若干主观影响，又将观测范围扩大到可见光区以外，近半个世纪以来，红外分光光度计因其便于研究分子结构而获得重大发展。它是一种考察吸收光谱的仪器。较简单的型式是单光束分光光度计，工作时一次直接对着光源，另一次在光路中加入所考察的物质，其差别为所求的结果。这种仪器既可能由于光源和探测器的不稳定而产生误差，再则也比较费时间，于是双光束分光光度计应运而生。图5是一种自动记录仪的安排，其中用凹镜代替透镜，是因为不容易找到合适的材料制造透镜。红外光源 S发出的光分成两支：经过凹镜m1、m2的是待测光束，进入样品池C1;另一支经过m2、m4的是参考光束，进入空池C2，这支中还有一只可以进退的调节光度的光楔W，而它是由伺服电动机V带动的。两束光继续前进，待测光束经过m5，参考光束则经过m6和m8，然后都到达扇形镜m7。这是一只半圆形的镀银转盘，可以使两支光束交替射至m9和m10，而后会聚在单色器的入射狭缝S1处。单色器将光分成光谱，转动利特罗反射镜m12可使某一波长的准单色光落在出射狭缝S2上。然后光会聚在探测器D上，它发出信号给伺服电动机V来控制参考光束的强弱，当两方相等时伺服电动机就静止下来，这样就测出样品的吸收程度。另一方面，m12的转动也与记录纸r联动，于是记录出来的曲线是吸收对于波长的关系。

在棱镜所能适用的波段以外常用光栅作为色散元件。光栅的另一优点是它的分辨本领比棱镜有数量级的提高。分辨本领的公式是R=mN，其中m是光谱级，N是光栅上刻线的总数。光栅仪器的缺点是有鬼线和级的交叠问题，后者可加滤光镜、棱镜或其他光栅除去，称为级次分离器。从前光栅的应用中还常有光能分散不集中的问题，自闪耀光栅问世以来，特别是反射式的小阶梯和中阶梯光栅，它们已能将光能集中到某一范围内。先是广泛用于红外波段，后来也扩大到可见和紫外区域。一些工作波段较宽的仪器中采取将几块光栅交替插入光路的办法拓宽波段范围。

光栅装架的方式中最简单而紧凑的也是利特罗装架法，如图6所示。光栅离凹镜的距离应该等于凹镜的焦距。另外一种著名的装架法称为埃伯特-法斯梯装架法，如图7所示。显然它不如利特罗式紧凑，所用凹镜比较大，用以使光束平行的是凹镜的一部分，而再使之聚焦的是另一部分，都是离轴的；由于其对称性质使前者所形成的像差几乎正好为后者所抵消。虽然对于消球面像差无能为力，但对提高分辨本领已有很大好处。凹镜的中部未被利用，却能造成一些杂散光，所以一种改进形式用两面凹镜，这称为柴尔尼－特纳装架法。这样做还可以有较多的参变量供选择。

对上述三种装架法的改进不断有所探讨，例如，对它们采用离轴抛物面镜代替原来的球面镜可以取得更好的效果，而埃伯特式几乎能够消除所有赛德耳像差。

凹光栅是将光栅和凹镜结合在一起的紧凑器件，这样做就减少了光的反射次数。这种光栅常用于远紫外波段，因为在这个波段中，各种材料的反射本领都很低。传统有多种凹光栅的装架法，它们都以罗兰圆为基础。罗兰圆是在垂直于光栅刻线并通过光栅球面中心的平面内作一圆，它与光栅中心相切，而其直径等于光栅的半径。这个圆具有的特性为:如果光源放在圆周的某一点上，光经过凹光栅衍射后会聚焦于该圆周的另一点上。凹光栅适用于远紫外区域，因此要装在真空中。但真空中调节仪器不方便，传统装架法于是采取摄谱仪的形式，拍照时不必调节，当要求对光谱范围作较大变动时才需要调节。

现代光谱仪器中常见单色器，要有一个经常转动的部分，旧式装架法不够方便。20世纪50年代以来，日本科学家提出了一些便于作单色器的办法，其中以濑谷-波冈装架法为最著名（图8）。这里的光栅 G转动轴通过其刻线表面并平行于刻线。当光栅转动时入射与出射狭缝已不在罗兰圆上（虚线），但如入射与出射的主光线间夹角取为70°30┡，则对于较宽波段像差不太大。此法在机械上的简便性已使其应用于商业仪器上。

以光的干涉作为分光手段的光谱仪器。各种干涉仪中，最常使用的是法布里－珀罗干涉仪，它使用方便而且由多次反射可造成很窄的光谱线。它与棱镜和光栅光谱仪器不同，不需入射狭缝，而以扩展光?粗苯由渲烈瞧鳎谑怯傻惹愀缮娴姆绞浇煌ǔさ墓庑纬刹煌笮〉母缮婊贰？墒窃不坊蛟部鬃魑錾湎练臁?

干涉光谱仪器的分辨本领也是R＝mN，式中的m仍是光谱级，N 则为参加干涉的光束数，在光栅中，m总不能太大，即使是中阶梯光栅，m的数量级也只是102～103，但干涉光谱仪器可以达到105。因此干涉光谱仪器的分辨本领很高，不过m甚大意味着级的交叠也严重。但干涉仪器的考察对象是谱线的精细结构或谱线本身的形状等问题，于是不妨令其只有很窄的波段进入干涉仪。例如，用一台单色器或用另一个间隙厚度不同的法布里－珀罗标准具作为级次分离器。

干涉光谱仪器的一种较新发展见傅里叶变换分光计。