中阶梯光谱仪

中阶梯光谱仪

一、中阶梯光谱仪基本概念和理论

又称反射式阶梯光栅(reflection stepped grating) 。其性质介于小阶梯光栅和阶梯光栅之间。它与一般的闪耀光栅不同，不以增加光栅刻线，而以增大闪耀角(高光谱级次和加大光栅刻划面积) 来获得高分辨本领和高色散率。

中阶梯光栅光谱仪是一种全谱直读的新型高端光谱仪器，它以中阶梯光栅为主色散元件，经低色散元件进行交叉色散后，在焦面处形成二维谱图（即：中阶梯光栅光谱仪各级之间的重叠用交叉色散棱镜的办法来解决，即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直，这样在仪器的焦面上形成二维光谱图象）该二维谱图被探测、接收、数字化后，采用特定的谱图还原方法可以转换为高分辨率的一维光谱信息。

二、中阶梯光谱仪国内外概况

中阶梯光栅光谱仪在20 世纪70 年代开始受到广泛关注，但在经历了七十年代的短暂热潮之后，由于探测器技术不够成熟而没有能够很好的继续发展。直到 90 年代，随着探测器技术和激光技术的成熟，尤其是二维阵列探测器（如CCD 技术）及大功率短脉冲激光器的发展，推动了中阶梯光栅光谱仪技术的发展与应 用，使中阶梯光栅光谱仪再次受到普遍的关注。二维阵列探测器充分利用了现代 半导体技术，具备大动态范围、高量子效率和高灵敏度等优点，而大功率短脉冲 激光器则提供了新的实验方法。随着高性能CCD 的出现与发展，中阶梯光栅光 谱仪适用的光谱范围扩展到从软X 光直到近红外区。与此同时，计算机科学的 发展与图像处理技术的进步也使得中阶梯光栅光谱仪的性能和应用范围不断得到提升。作为一种通用光谱仪器，中阶梯光栅光谱仪在20 世纪70 年代开始在天文领域率先得到应用。到80 年代，随着光栅刻划技术的发展，世界上许多2～4m 级天文望远镜都配备了中阶梯光栅光谱仪；至20 世纪末，全世界已有10 架配备了高分辨率中阶梯光栅光谱仪的8～10m 级光学/红外天文望远镜投入使用。今天，欧美发达国家已经将中阶梯光栅光谱仪广泛应用于天文、地矿、化工、冶金、医药、环保、农业、食品卫生、生化、商检和国防等诸多领域。我国于1995 年研制成功2.16 米望远镜折轴阶梯分光仪，该仪器是我国首次研制的大型中阶梯光

栅光谱仪器，配备于北京天文台兴隆观测基地2.16m 望远镜，为我国天文界开展高分辨率光谱研究提供了有效的手段。但是，如果作为通用测试仪器则由于其结构相对复杂，光学装调难度大，成本高，不可能进入商业领域。在民用方面，国内对中阶梯光栅光谱仪器的研究、开发和应用相对滞后。自1979年开始, 现我国至少已引进了不同类型的中阶梯光栅光电直读光谱仪应用于各个领域, 发挥了很大作用。

这些年来, 该类仪器在国内分析化学工作方面得到了较为广泛地应用, 发表了许多应用仪器于测试分析工作的科研报告。值得一提的是, 冶金有色地质系统在1979年首先引进了六台SslllA 型仪器, 分配在各个大区地质研究所及物探公司, 主要用于对化探扫面地球化学样品中多元素同时测定的定量分析工作。这些年来, 六台仪器完成了大量生产分析任务, 其分析测试了数百万件样品, 每件样品测试11一12个元素, 为地质找矿生产科研〔作提供了数千万个分析数据, 取得了极为显著的经济效益。另外, 应用该仪器进行了多项分析方法试验研究专题工作, 扩大了难测元素分析项目, 如开展了对地质样品中十五个痕量稀土元素的测定工作, 受到了地质岩矿科研五作者的好评。

三、中阶梯光谱仪优势：

与常规光谱仪器相比，中阶梯光栅光谱仪具有高光谱分辨率、低检出限、宽波段、无移动部件、结构紧凑、光学系统的体积减小, 相对孔径变大, 光强也得

到提高, 全波长闪耀, 分辨率和衍射效率都比较好全谱直读等优点，摒弃了传统的获取高分辨率谱图所惯用的多次测量不同谱带在进行拼接的方法，可在一秒中内获取覆盖整个波段的高分辨率拉曼谱图，再辅以巧妙的光路设计和先进的探测系统, 方便灵活, 响应速度快, 峰值检测精度高, 不存在误读问题, 因此中阶梯光栅光谱仪在光谱分析领域将占有重要的地位中阶梯光栅光谱仪代表了现代光谱技术的发展趋势。因此中阶梯光栅光谱仪在光谱分析领域将占有重要的地位。

四、中阶梯光谱仪技术方案

光栅光谱仪的组成部分主要是光源，分光系统和接收系统。中阶梯光栅光谱仪的光学系统结构如图１所示。它由入射针孔、准直镜、中阶梯光栅、反射棱镜、聚焦镜和面阵ＣＣＤ组成，光学系统采用Ｃｚｅｒｎｅｙ－Ｔｕｒｎｅｒ（Ｃ－Ｔ）结构形式，是最广泛应用的单色器结构形式之一。该结构简单紧凑，无移动

部件，光学器件少，入射光和出射光夹角为定值，有利于后端调试和标定，并且通过调整各部件的相对位置，可以有效控制像差及获得二维平像场。Ｃ－Ｔ结构有Ｕ 型和Ｚ型（交叉束）两种形式。交叉束结构有利于缩小仪器体积，降低杂散光，但是，在消除像差方面不如Ｕ型结构有利，因此采用Ｕ型Ｃ－Ｔ结构形式。由光源经针孔和准直镜得到的平行光束入射到中阶梯光栅上进行主方向色散；由于采用了高衍射级次的中阶梯光栅，其衍射谱存在严重的级次重叠，因此需要用一低色散元件（棱镜或平面光栅）将重叠在一起的各级次光谱分离开来，即进行交叉色散（相对于中阶梯光栅的色散方向或被称为横向色散），使入射单束光分解为二维光谱，按波长与级次的顺序由聚焦镜聚焦在ＣＣＤ平面上。由于面阵ＣＣＤ的像素数远大于线阵ＣＣＤ的像素数，因此，中阶梯光栅光谱仪可以在一次曝光中获得很宽波段的光谱信号。

（图1）

五、中阶梯光谱仪难点与解决思路

线色散率、分辨率、集光本领是评价光谱仪性能的重要指标，而这些性能又主要取决于所采用的色散元件-光栅，制造高性能的光栅一直是光谱仪技术追求的目标。

从光栅色散率公式可知，在自准条件下（a=b=e）

dl/dλ=(m·f)/(d·cosb)

提高线色散率可采用长焦距f 、大衍射角b 、高光谱级次m 、减少两刻线间的距离d （提高每毫米刻线数）。从光栅分辨率公式可知R=λ/Dλ=m·N提高分辨率可增加光栅刻线总数N 、用高衍射级次来解决。

在常规的光栅设计中，都是通过增加每毫米刻线数来提高线色散率和分辨率。事实上由于制造技术及成本原因，精确、均匀地在每毫米刻制2400条线已很困难，采用全息技术制造的全息光栅最高可达10000条，但由于槽面成正弦形，使闪耀特性受影响，集光效率下降。

1949年美国麻省理工学院的Harrison 教授摆脱常规光栅的设计思路，从增加衍射角b ，利用“短槽面”获得高衍射级次m 着手，增加两刻线间距的方法研制成中阶梯光栅（Echelle ），这种光栅刻线数目较少（8-80条），使用的光谱级次高（m=28-200），具有光谱范围宽、色散率大、分辨率好等突出优点。但由于当时无法解决光谱级次间重叠的问题，在五六十年代未受到重视，直到七十年代由于实现了交叉色散，将一维光谱变为二维光谱，方得到实际应用。随着九十年代初二维半导体检测器（CID ）和(CCD)的应用，中阶梯光栅的优点才在ICP 光谱分析中充分的展现出来。

光栅方程d(Sina+Sinb)=mλ同样也适用于中阶梯光栅。在“自准”（a=b=e）时，m=2d·Sine/λ。中阶梯光栅不同于平面光栅，采用刻槽的“短边”进行衍射，即闪耀角e 很大（60°- 70°）；采用减少每毫米刻线数，即增大光栅常数d ，因此，光谱级次m 大大增加。例如IRIS Ad.全谱直读ICP 的光栅刻线为52.6条mm ，闪耀角e=64°，可计算出对应λ=175nm的光谱级次m=189级，对应λ=800nm的光谱级次m=42级。对于衍射级次从42-189时，其闪耀波长分别在800-175nm 光谱分析段内，且这些闪耀波长间隔较近，即形成全波长闪耀 中阶梯光栅的角散率：db/dλ=(2·tgb)/λ 线色散率dl/dλ=(2·f ·tgb)/λ 分辩率R=λD λ=2·W/(λ·Sinb)

从上面三个公式可知，中阶梯光栅的角色散率、线色散率和分辨率都与衍射角b 有关，并随着b 增大而增大。因此，只要取足够大的b 值（取闪耀角接近衍射角b=64°），即相当于在较高级次下工作，就能获得很大的角色散率、线色散

率和分辨率。对于一般平面光栅，线色散率dl/dx =(f·m)/d，必须依靠增大仪器的焦距f ，减小刻线间距d （增加刻线条数）来增加线色散率。而中阶梯光栅由于角色散率很大，不必依赖焦距的增加，就能获得较大的线散率。例如焦距1米，3600条/mm的平面光栅在200nm 处，一级光谱的倒数线色散率仅0.22nm/mm，而0.5米焦距，52.6条/mm的中阶梯光栅光谱仪在168级处同一波长的倒数线色散率可达0.14nm/mm。由于中阶梯光栅的角色散率足够大，焦距反而可缩小（如0.5米），因此，仪器光室的体积大为缩小，使相对孔径变大，光谱光强也得到提高。由于线色散率大，中阶梯光栅每一级光谱的波长范围相当小，在这个范围内各波长的衍射角基本一致，而且各级基本上是在同一角度下（闪耀角）观察整个波长范围，所以均可达到很大闪耀强度，即“全波长闪耀”。另外，这种中阶梯光栅它们相邻的衍射光谱级次之间的能量分布如上图所示，从图中可以看出，同一波长的入射光的能量多被分布在两个相邻衍射光谱的级次里，由于最佳闪耀波段两侧能量锐减，故入射光强能量几乎都被集中到如图中虚线上方的闪耀波段中的该波长上，由此可知，中阶梯光栅在175-800nm 全波段范围内均有很强的能量分布，中阶梯光栅其光谱图象可聚焦在200mm2的焦面上，非常适合于半导体检测器来检测谱线。中阶梯光栅光谱仪各级之间的重叠用交叉色散棱镜的办法来解决，即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直，这样在仪器的焦面上形成二维光谱图象.

六、中阶梯光谱仪主要研究内容

在20 世纪70 年代以前，为满足光通量方面的要求，天文高分辨率光谱仪多 采用大面积闪耀光栅。普通闪耀光栅在光谱仪器中使用时，为了避免级次重叠只能用于低衍射级次（如-1 级或-2 级）。要实现高的色散率和光谱分辨率，光谱仪器就需要采用高刻线密度闪耀光栅，加大成像物镜焦距，仪器体积比较庞大。因此，在科学仪器普遍向微小化、便携式和实时测量方向发展的形势下，光谱仪器的小型化、高分辨率、快速测量及信号接收方式等是仪器设计者需要考虑的问题。

中阶梯光栅是由美国光栅专家G.R.Harrison 于1949 年提出的一种特殊光栅，它的刻线密度较低，具有较大的闪耀角，用于大入射角度和高衍射级次（如

几十级到几百级），因而有很高的色散率和分辨率。但在此后的20 多年间，中阶梯光栅并未获得广泛的应用，这主要是因为由中阶梯光栅获得的光谱存在非常严重的鬼线、伴线等噪声，直到70 年代初期，实用型激光器问世之后，激光干涉法从根本上改善了光栅刻划机的性能，使光栅的质量及光栅光谱的质量都大为提高，中阶梯光栅才开始进入实用阶段。高分辨率和高光通量是现代光谱仪器所追求的两大目标，为同时实现这两个目标，不可能单纯依赖仪器本身的几何光学接收度，那样会导致仪器的规模和成本极大的增加，而且技术上难以实现。这一难点的解决方法基本可以分为两大类，一是改造光源，例如现在同步辐射光源不断向小光斑和小发射度方向发展；另一种方法是选择效率更高的探测器，这样即使最终到达探测器的光通量不够高，但由于接收器的灵敏度提高也就等效于提高了光通量。第二种方法的应用范围更广泛一些，因为大多数时候光源的限制是比较严格的。

中阶梯光栅光谱仪是最适合与现代探测器技术相结合的光栅光谱仪器，它对 光源的性能要求比较低，在结构方面具有体积小、质量轻、结构简单、无移动部 件，面阵接收的特点；在性能方面具有高色散、高分辨率、低检出限、宽波段、 全波闪耀和瞬态光谱的特点。有利于实现高度智能化和自动化，代表了先进光谱 技术的发展趋势。由于中阶梯光栅的自由光谱范围非常狭窄，单独在宽谱光源下使用时不可避免的会产生级次重叠现象，因此在实际应用中通常要搭配预色散或后色散元件以进行级次分离，该附加色散元件的色散方向与中阶梯光栅的色散方向相垂直，即交叉色散（Cross Dispersion ）。由此而产生的是二维光谱，在焦平面上配备二维阵列探测器后构成中阶梯光栅光谱仪, 便可实现全谱直读测量。在使用了交叉色散元件后所得到的二维光谱同时具有宽波段和高分辨率的特点，这正是中阶梯光谱仪器领域工作者们所长期追求的目标.