光譜儀凹面光柵

直讀光譜儀衍射光柵(以下簡(jiǎn)稱光柵)是這樣一種裝置，它相當(dāng)于排列在一個(gè)光學(xué)平面或凹面上許多相距很近又相互平行的等寬狹縫。在透射光柵中，光線通過這些狹縫；在反射光棚中，光線從一個(gè)鍍鋁的光學(xué)表面上的許多平行刻線上反射過來，而每一條刻線都起著一個(gè)狹縫作用。一般光柵都是將鍍有鋁膜的石英坯件放在一種精密的刻劃?rùn)C(jī)械上刻制出來的，這種光譜儀光柵稱之為機(jī)刻光柵，其復(fù)制品則為復(fù)制機(jī)刻光柵。另外一種以全息照相制造的光棚，即所謂全息光柵。

直讀光譜儀光柵是一種非常有用的色散元件，它可以用于由幾十埃至幾百微米的整個(gè)光譜域。由于目前光柵刻制技術(shù)的不斷提高，并發(fā)明和提高了復(fù)制技術(shù)，致使光柵光譜儀得到廣泛應(yīng)用。

光柵理論在許多物理光學(xué)教科書中都可以找到。在這里我們將對(duì)它的原理做一簡(jiǎn)淺的介紹。

光柵公式見式：

mA =a(sina +sing)

公式中a——人射角，即入射光與光柵法線形成的角度，永遠(yuǎn)取正值；

β—一衍射角，即衍射光束與光柵法線形成的角度，如β與a都在光柵法線的同一側(cè)，則β為正，如β在法線的另一側(cè)，則B為負(fù)值；

a——相鄰兩刻線面的距離，一般稱光棚常數(shù)；

λ——衍射光的波長(zhǎng)；

m——干涉級(jí)或稱光譜級(jí)，也稱譜級(jí)。

對(duì)平面光柵或凹面反射光棚都是適用的。光柵公式的推導(dǎo)見圖。

直讀圖代表平面反射光束的一段垂直刻線的截面。設(shè)一束平行光束人射到光柵表面上來(人射角為a)在光柵每一條刻線上就產(chǎn)生衍射，衍射光線朝各個(gè)方向射過去。由于相鄰的刻線距離a與波長(zhǎng)同一數(shù)量級(jí)，所以這些衍射可包括很大的角度。

在直讀光柵圖中，相部?jī)煽叹€對(duì)應(yīng)位置的點(diǎn)A、B上的1、2兩條光線，以及衍射后衍射角B離開光柵的光線1’、2’，光線1、2在A，D點(diǎn)是同相的(AD垂直于入射光束）它到達(dá)AB點(diǎn)的光程差為DB=asina，當(dāng)它們從刻線上以β角方向衍射出去之后，光程差又增加或減少了AC=asing。因而總的光程差為DB±AC=a(sina±sinB)。顯然當(dāng)光線1、2和1’、2’在光柵表面法線的同一側(cè)時(shí)，總的光程差為DB+AC；如不在同一側(cè)，則總光程差為DB-AC。根據(jù)光的干擾原理，如總光程差等于光線波長(zhǎng)的m倍(m=0，1，2，3……)，則從各刻線上以相同角度β衍射過來的光線都是相同的，即起增加(疊加）作用。此時(shí)，如果以成像物鏡將這些光線聚焦到可在這個(gè)與法線成B角的方向上得到一個(gè)光源的明亮的像，在其他的衍射角上，從各刻線上產(chǎn)生的子波都將相互干涉抵消而使光強(qiáng)為零。對(duì)給定波長(zhǎng)的光以一定的角度人射時(shí)，從所有刻線上反射過來的光只有與光柵法線一定的角度時(shí)才是相同的。以上的討論歸結(jié)為上述光柵公式mλ=a(sina+sinB)。

從直讀光譜儀光柵公式可以看出以下的事實(shí)：

(1)當(dāng)光棚常數(shù)a及人射角a為給定值時(shí)，對(duì)某一級(jí)m不同的波長(zhǎng)λ的光會(huì)被衍射到不同的B角方向，這就是光柵的分光作用。這些被分光了的光束經(jīng)聚焦后就成為按波長(zhǎng)排列的狹縫像——光譜線。然而，應(yīng)該看到，一級(jí)光譜中波長(zhǎng)為A的譜線和波長(zhǎng)為A/2二級(jí)譜線，波長(zhǎng)為λ/3的三級(jí)譜線………重疊在一起，這是光柵光譜的一個(gè)特點(diǎn)，必須避免不同譜級(jí)譜線的重疊問題。

（2）當(dāng)m=0時(shí)。β=-a，任何A值都可滿足光柵公式。這時(shí)光柵的作用就像一面反射鏡一樣，在B=-a方向成一不被分光的零級(jí)像，人射光束中的所有波長(zhǎng)都疊加在這零級(jí)像中，零級(jí)像有時(shí)被稱為“直射反射像”或“中央像”。

（3)對(duì)同一譜級(jí)，波長(zhǎng)愈短的譜線離零級(jí)像越近

（4)當(dāng)-B>a(即B與a不在光柵法線同側(cè)，并且|B|>|a|時(shí)，m為負(fù)值，因λ及a都不可能為負(fù)值)，這表示衍射而產(chǎn)生的光譜與人射光束不在零級(jí)像的同側(cè)。