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一、單色器
單色器是從光源輻射的連續(xù)光源中分離出所需的足夠窄波段光束的光學(xué)裝置,它是紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的核心部分。其性能直接影響光譜帶的寬度,從而影響測(cè)定的靈敏度、選擇性和工作曲線的線性范圍。
單色器由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件(光柵或棱鏡)、物鏡和出射狹縫組成。入射狹縫起著限制雜散光進(jìn)入的作用;準(zhǔn)直鏡將從入射狹縫射進(jìn)來(lái)的復(fù)合光變成平行光;色散元件用來(lái)分光;物鏡將射到物鏡的平行光會(huì)聚在出射狹縫上;出射狹縫起限制光譜帶寬的作用。
(一)棱鏡單色器
棱鏡單色器的色散元件為棱鏡,棱鏡的色散是利用不同波長(zhǎng)的光在棱境內(nèi)折射率的不同將復(fù)合光色散為單色光。
棱鏡的角色散率可表示為dθ/dλ,它表示偏向角θ隨波長(zhǎng)變化的速率,即為波長(zhǎng)差為dλ的兩條相鄰譜線被分開(kāi)的角度。角色散率可寫(xiě)為以下形式:
式中,n為棱鏡材料的折射率;dθ/dn表示偏向角隨棱鏡材料的折射率而改變,其值與棱鏡的幾何形狀和入射角有關(guān);dn/dλ為色散率,表示折射率對(duì)波長(zhǎng)的變化率,它和棱鏡材料的性質(zhì)有關(guān)。在可見(jiàn)光區(qū),玻璃的色散率大于石英的色散率,所以可見(jiàn)分光光度計(jì)都采用玻璃棱鏡,但是當(dāng)波長(zhǎng)小于400nm時(shí),玻璃透光度大大下降,玻璃棱鏡不能用于小于350nm的紫外光區(qū),而石英在近紫外光區(qū)仍有較好的色散率和透光度,所以紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)采用石英棱鏡。
棱鏡的色散作用還和棱鏡的幾何形狀有關(guān),棱鏡形狀*常用的是直角利特羅棱鏡,如圖1所示。
光線進(jìn)入利特羅棱鏡后,由棱鏡的鍍鋁面反射回來(lái),再度進(jìn)入空氣,經(jīng)過(guò)棱鏡兩次色散,其效果相當(dāng)于頂角為60°的等腰棱鏡。
棱鏡作色散元件時(shí),產(chǎn)生的是一個(gè)非線性的波已長(zhǎng)分配,為了得到一定純度及一定譜帶寬度的單色光,必須隨波長(zhǎng)變化同時(shí)調(diào)節(jié)狹縫寬度。
現(xiàn)在一般都不再制造棱鏡式紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì),但我國(guó)生產(chǎn)的751型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)仍是棱鏡式的。
圖1 直角利特羅棱鏡
(二)光柵單色器
光柵可定義為一系列等寬等距離的平行狹縫,光柵的色散原理是:以光的衍射和干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ),以同樣入射角投射到光柵上的不同波長(zhǎng)的混合光,其干涉極大都位于不同的角度位置,對(duì)于給定的光柵,不同波長(zhǎng)的一級(jí)主極大或次極大都不重合,而是按波長(zhǎng)次序排列形成一系列分立的譜線,從而使不同波長(zhǎng)的復(fù)合光經(jīng)光柵衍射后被分開(kāi)。
光柵元件可分為透射光柵和反射光柵兩種,透射光柵是在一塊玻璃或其他透明材料上刻畫(huà)一系列平行等距離的刻線制成的;反射光柵是在一拋光的金屬表面上刻畫(huà)一系列平行而等距離的刻線制成的。根據(jù)光柵基面的形狀反射光柵又分為平面和凹面兩種。若把光柵的線槽刻制成三角形槽線,并使槽面對(duì)光柵表面的夾角保持恒定,此類(lèi)光柵具有以下特性:當(dāng)光柵對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的入射光形成的衍射光方向正好與該波長(zhǎng)在工作面上的鏡面反射方向吻合時(shí),此波長(zhǎng)的出射光將比其他波長(zhǎng)更明亮,稱此為閃耀。因此,這種光柵稱為閃耀光柵,它常常被統(tǒng)稱為反射光柵。在近代紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)中閃耀光柵是*常用的色散元件。
從光柵的刻制方法可將光柵分為機(jī)刻光柵和全息光柵兩類(lèi),制造機(jī)刻光柵需要精密的光學(xué)機(jī)械設(shè)備,制造周期長(zhǎng),成本高,故通常使用的是由母光柵作模子制得的復(fù)制光柵。由于機(jī)刻光柵的線槽難免有缺陷,會(huì)在光譜強(qiáng)線兩旁產(chǎn)生模糊不清的假線,即所謂的“鬼線”。為避免此缺陷,應(yīng)尋求新的制造技術(shù)。全息光柵的制造過(guò)程是:由激光器產(chǎn)生的兩束相干的平行光束交會(huì)于均勻涂布了光致抗蝕劑的光柵毛坯上時(shí),就會(huì)產(chǎn)生均勻、等距的平行直線干涉條紋,使光柵毛坯上的光致抗蝕劑受到不同程度的曝光,再經(jīng)顯影、漂洗和干燥等過(guò)程,就可獲得與干涉條紋相同的結(jié)構(gòu)表面,在此表面上真空鍍鋁,就可獲得反射全息光柵。并已制得槽形相當(dāng)接近鋸齒形、閃耀性能與機(jī)刻光柵相似的全息光柵。
全息光柵有以下優(yōu)點(diǎn):
①工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生鬼線和伴線;
②不存在機(jī)刻線槽的微觀不規(guī)則或毛刺,故雜散光??;
③改變制作條件,可制作消像差的全息光柵;
④可以制作任意尺寸的全息光柵;
⑤制造周期短、成本低
全息凹面光柵根據(jù)使用條件和記錄參數(shù)(兩相干點(diǎn)光源位置)不同,通??煞譃樗姆N類(lèi)型,Ⅲ型光柵就是通常所說(shuō)的平場(chǎng)凹面全息光柵,該光柵是在傳統(tǒng)凹面全息光柵的基礎(chǔ)上對(duì)原來(lái)為球面的光柵表面進(jìn)行調(diào)整,以非球面代替原來(lái)的球面,從而對(duì)原來(lái)出射譜面為羅蘭圓的光譜帶進(jìn)行了調(diào)整,保證其中一部分出射光譜面為平面,并通過(guò)選擇記錄參數(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)各種像差進(jìn)行了校正。這類(lèi)光柵適宜與接收面為平面的固態(tài)多通道檢測(cè)器件配合使用,實(shí)現(xiàn)快速光譜分析。Ⅳ型光柵的記錄參數(shù)和工作參數(shù)也都不在羅蘭圓上,也是變間距的彎曲刻槽,適宜于制成單色儀,尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,亦稱為單色儀光柵。