凹面光栅是1882年罗兰(Rowland)提出的,所以又称罗兰光栅(Rolland grating),岛津叫Concaved gratings 。它是刻划在球面的一系列等距刻槽的反射式衍射光栅,它的作用是使光既衍射又聚焦。因而凹面光栅摄谱仪只需光栅、狭缝及感光板三部分,光路紧凑。。它可减少吸收现象,只存在光栅面一次反射的光损失,由于减少了准直镜和物镜,所以可以进一步减少杂散光和像差,提高仪器的信噪比。
凹面光栅的色散原理同样符合光栅方程 d(sinα±sinβ)=mλ。
根据图3.1.2有公式 2sin θ cosK = Nm λ
其中,
θ是步进电机带动光栅转动的角度。
K是光栅中心点O,入射狭缝A,出射狭缝B之间的夹角的1/2,对于固定的单色器,为常数。
N是光栅中心O处的光栅刻痕数密度,岛津的解释是Number of slits per mm (the groove density, equal to the reciprocal of the grating period) ,对于固定的光栅,为常数。
m是光谱级次。
所以通过一个正弦机构就可以实现波长的线性化。
1.闪耀光栅
特点:在指定波长可以有很高的衍射效率。可用于紫外区和可见光区。
2. 正弦曲线型光栅
特点:
a. 这种光栅在全波段都可以提供较高的衍射效率。
b. 衍射效率最高的波长由刻痕的深度确定。
c. 一般来说,这种光栅的衍射效率只有闪耀光栅的一半,但是通过改变刻痕深度和刻痕周期的比率,也可以获得比闪耀光栅更高的效率。
d.可用于全波段和近红外区。
注:对于正弦型轮廓,如果把它看成一个正弦曲线,那么刻痕深度可以理解为波谷值(为长度单位),刻痕周期就是正弦波的周期(为长度单位)
3.层状光栅(Laminar Gratings )
特点:
a. 对于偶次光谱(even orders of light )衍射效率低于闪耀光栅和正弦型光栅。
b. 衍射效率最大处的波长由刻痕深度和刻痕占空比的比值决定。
c. 这种光栅主要用在soft x-ray区域,因为在这个区域可以获得大的反射率。
注:对于刻痕的占空比,如果把刻痕轮廓看成方波,那刻痕占空比可以理解为方波峰宽(长度单位)和方波周期(长度单位)的比值。
如图3.1.6和图3.1.7, 1级光谱、2级光谱(2rd-order Light)和3级光谱(3rd-order Light)都有部份重叠。
在分光光度计中,一般通过灯室中的滤光片组(图3.1.8)来消除光谱叠加。
图3.1.8是某个厂家的滤光片组结构。在可见分光光度计中,图3.1.8中的斜线部份是缺口,没有滤光片。在紫外-可见分光光度计中,图3.1.8中的斜线部份是个反光镜,当仪器处于紫外波段时,钨灯辐射光照射到反光镜的背面,被阻挡;氘灯的辐射光照射到反射镜面上,打入入射狭缝。
对于普通平面衍射光栅,分光光度计一般使用一级光谱(如图3.1.7中的CCD postion),零级光(0-order Light)作为波长定位的参考位置。零级光时,所有波长的光都混在一起,形成“白光”(即入射的复色光)。在普通平面衍射光栅中,中央条纹零级光占据着入射总光能的很大一部分,因为零级光无色散作用,所以造成光能浪费。为此出现了一种新的光栅----闪耀光栅(使光能大部分集中在某个波长上,此波长就是闪耀波长)。
1. 注意保持安装在光源室、样品室的透镜、反射镜、密封窗等光学元件表面清洁,切勿用手触摸。
2. 如透镜表面有灰尘,可用干净的吹气球吹除;如发现表面有手印或其他污迹,可用清洁的擦镜纸或用沾有酒精、乙醚混合液的脱脂棉轻擦。
3. 对于镀铝反射镜,应按下列不同情况分别进行保养维护:
a. 如果表面落有灰尘,可用干净的吹气球吹除;
b. 如发现表面有手印或其他污迹,则应区分反射镜表面是否镀有保护膜。对于未镀保护膜的反射镜,则不能用任何物品擦拭(此种情况一般是直接跟换反射镜)。污迹较少时,有保养光学元件经验的使用者可采取涂覆火棉胶粘揭方法。但事前一定要用其他玻璃器件检验火棉胶涂覆成膜的质量,不能成膜的绝对不能使用。
c. 对于镀保护膜(有些会在器件表面镀一层SiO2)的反射镜,则可用沾有酒精、乙醚混合液的脱脂棉轻擦。
4. 分光系统是仪器中制造精度、洁净程度要求最高的光学元件与机械构件,为确保其工作性能与质量,在安装与运行正常情况下,切勿随意打开密封机罩。如确需打开,应严格遵守一下维护原则。
a. 开启机罩前,注意保持实验室内的温度、湿度、清洁度。
b. 目视观察分光系统故障时,尽量减少查看人员数量。
c. 观察者近距离面对光栅、准直镜时,不应讲话、呵气,以防呼吸的水汽或唾液落到光栅、反射镜表面,形成污迹。
d. 绝对禁止用手触及光栅与反射镜表面。
e. 为排除故障需要使用工具调节某些机械零件时,务必避免工具划伤光学元件表面。
注:光学系统的保养与维护摘自文献18.