28、光谱仪系统与探测器：原理、类型及应用

光谱仪系统与探测器：原理、类型及应用

1. 光谱仪系统

1.1 窄带与宽带光源

在光谱仪系统中，宽带光源是光谱仪的一部分，而窄带光源往往是研究对象。常见的窄带光源包括低压气体放电、激光发射以及材料的荧光和磷光。恒星是这两种光源的典型例子，对其连续光谱的研究可以了解恒星的大小和年龄；对光谱中离散谱线的研究则可以测量恒星相对地球的速度。此外，连续光谱中的吸收带能指示地球与恒星之间星际物质的存在和种类。

1.2 光谱格式

光谱仪的色散元件在测量过程中可以固定不动，也可以移动以获取更多信息。例如，使用照相底片时，光栅或棱镜将整个光谱呈现给探测器，无需移动色散元件；当探测器监测单条谱线时，色散元件也可保持静止。

若探测器由带狭缝的光敏元件组成，用于定义要测量的波段，则只有移动光栅或棱镜，使光谱扫过狭缝，才能记录光谱。虽然也可以移动探测器和狭缝扫过光谱，但这种方法较为繁琐。

以正弦杆驱动为例，输入光束和输出光束的夹角γ是恒定的。入射角为ρ，衍射角为δ₁，满足γ = ρ + δ₁。光栅方程可写为mλ = d(sinδ₁ - sin(γ - δ₁))。当光栅设置为零级反射通过出射狭缝时，ρ = δ₁ = γ/2。随着光栅从零级位置旋转角度θ，ρ变为γ/2 + θ，δ₁变为γ/2 - θ，代入光栅方程可得mλ = -2d sin(θ) cos(γ/2)。

正弦杆驱动是一种扫描机制，当螺杆以恒定速率转动时，光栅旋转角度θ的正弦值以恒定速率变化，衍射到与输入光束成γ角的波长随时间线性变化。但在需要极快速扫描光谱的情况下，正弦杆驱动可能太慢，此时可使用衍射光束中的旋转光学元件，如多面棱镜或反射镜。