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不同单色仪的探究摘要：本文综合介绍了不同种类的单色仪以及各自的原理，并且对棱镜单色仪和光栅单色仪的优缺点进行了一些比较，最后对单色仪的现状进行了一些阐述，对单色仪中存在的一些问题进行了简单归纳。关键词：棱镜单色仪，光栅单色仪，单色仪比较1666年，牛顿在研究三棱镜时发现太阳光通过三棱镜后被分解成了七色光。1814年，夫琅禾费设计了一套包括棱镜、狭缝和视窗的光学系统并观察了太阳光谱中的吸收谱线。1860年，克希霍夫和本生为研究金属光谱而设计了较完善的现代光谱仪，标志着光谱学的诞生。如今光谱分析已经是现在研究物理光学的主要分析手段，在科研和生产等方面发挥着极大的作用。在光谱分析中，无论是对于荧光光谱，还是穿透吸收光谱，还是拉曼光谱的研究，获得单色光是不可缺少的手段。除了单色光源外、颜色玻璃和干涉滤光片外，单色仪也是一种获得单色光的途径。单色仪是一种通过色散、衍射等方法将紫外、可见和红外的光谱区里的复合光分解成不同波长的单色光。按照不同的分类标准，单色仪可以分为很多种。常用的单色仪分为光栅单色仪和棱镜单色仪。光栅单色仪按光束入射方式可分为正入射、掠入射和投射单色仪；按光学系统分布可分为罗兰圆和非罗兰圆；按衍射光栅面型可分为平面、球面和环面单色仪。一、不同种类的单色仪1、棱镜单色仪棱镜单色仪是晶体单色仪的一种，此类单色仪是以晶体作为分光元件的，用作同步辐射X射线波段的分光系统，由于晶体单色仪的衍射面是晶格面，所以真空环境的要求可以比较低（10-1Pa）。普通的棱镜单色仪通常由三部分组成，准光镜系统、色散系统和成谱系统。如下图所示：准光镜系统，它是由准直光物镜L1和放在L1焦平面上的狭缝S组成；色散系统，它是由棱镜P等组成；成谱系统，它是由物镜L2和在其焦平面上的像屏组成。成谱系统形式的不同，仪器的名称就不同。若采用的是望远镜来观察光谱，则叫做“棱镜分光镜”；若采用物镜和感光板进行摄谱，则叫做“棱镜摄谱仪”；若用狭缝来分离谱线，则叫做“单色仪”。棱镜单色仪原理是复色光从狭缝进入，准光镜系统系统能够将其转变成平行光，然后入射棱镜。色散系统将来自准光系统的平行光均匀而广泛地照射在棱镜P的折射面A上，经过棱镜的折射后，复平行光就分解成沿不同方向传播的单色光。然后成谱系统将沿不同方向的单色平行光会聚与焦平面上，从而获得一幅彩色的光谱线图。其实每一根谱线是狭缝的一个像。为了使谱线像差小、成像清晰、体积小、集光本领强，人们对结构做了重要的改进。如图所示的是WDF型棱镜单色仪。WDF型是一种反射式棱镜单色仪，它是将上述准光镜系统中的凸透镜L1和物镜L2用两块凹面反射镜M1、M2代替。其优点是能够使狭缝射进来的复色光变成平行光的平行性最好，且凹面镜对各种不同波长的平行光聚于焦平面上的像不会有前后之分。对于色散系统，只有复色光中以最小偏向角色散的单色光才能够通过狭缝S2，这样就可以通过控制棱镜转动的角度来实现单色仪的定标了。2、光栅单色仪与棱镜单色仪不同，光栅单色仪是通过衍射来实现复色光的分解的。光栅光谱仪是多种多样的，其主要是由光栅、狭缝、成象系统和感光板(或出射狭缝)等部件组成。光栅单色仪与棱镜单色仪最大的不同主要是在光学系统上。以WDP500-C平面光栅单色仪为例，如图所示，这是一种平面光栅单色仪的光学系统。它的工作原理是光源发出的光均匀的照亮在位于抛物镜的焦平面上的狭缝S1，然后经过凹面镜M1的反射到光栅G上。由光栅的衍射光再经过M1、M2的反射后射出狭缝S2。相比于棱镜单色仪来说，光栅单色仪由于没有太多折射，光强减少相对较小，出射光强较大。因此光栅单色仪比较容易与其它检测设备配套使用。而且由于光栅相对于棱镜来说体积较小，并且光栅制作技术的不断进步，现在光栅单色仪的应用更加广泛。因此，光栅单色仪的分类也就比较多了。它们的结构大多是保持入射狭缝和出射狭缝不动，仅光栅自身转动来实现谱线的扫描和波长的选择。（1）Seya-Namioka单色仪如上图所示，此为Seya-Namioka单色仪。它采用了在零级光时入射狭缝与出射狭缝位于罗兰圆上的布置，入射光线与出射光线的夹角为70度32分。采用这个参数布置时，光栅扫描时出臂长度变化非常小，因此可以不移动出射狭缝而得到较好的分辨率。由于其包含角较小，所以普遍的作用是用作同步辐射真空紫外单色仪。（2）柱面单色仪（Dragon单色仪）下图所示的是柱面元件单色仪，它的目的是在保证衍射光束成像质量的前提下，以最小数目的光学元件、最简单的可靠波长扫描运动和最容易制造的光学表面形状为基点来实现其分光的作用系统仅由三个光学元件组成，它包括两块柱面镜和一块柱面光栅。（3）环面单色仪下图所示的是环面单色仪，TGM单色仪。它是在Seya单色仪的理论基础上发展起来的一种新型单色仪。与Seya单色仪相同的是它也有固定包含角，入射光束和出射光束方向不变，仅由光栅绕其自身中心一位维转动，实现全谱扫描，结构简单。但是两者包含角度不同，此系统的包含角为140度—160度，衍射能量为低能段，而Seya单色仪包含角为70度，衍射能量为高能端段。（4）平面光栅单色仪平面光栅作为衍射元件起始于1889年，直到1962年Murty详细研究了平面光栅衍射理论，才大大推进了平面光栅的应用。但是平面光栅在分光谱仪中仅器色散作用，本身无聚焦功能，必须借助第二个光学元件进行聚焦，这对它的适用范围也有所影响。用于学生实验室比较多。二、两种单色仪的比较现在的单色仪大致上分为棱镜单色仪和光栅单色仪，这两种单色仪各有各的优缺点。棱镜的工作光谱区会受到材料的限制，因为它的允许波长有限制，当光的波长小于120nm，或大于50µm时，棱镜单色仪就无法正常工作。而光栅的工作光谱区的限制相对宽松。光栅的角色散率与波长无关，而棱镜的角色散率却与波长有关，所以在设计时就得考虑到不同波长的对色散率的影响。棱镜的尺寸越大，分辨率就越高，但是这样制造就越困难了，而且耗材多。而相同分辨率下，光栅的重量就比较轻，而且随着光栅制作技术的不断进步，光栅可以越做越小巧。综合比较看来，光栅单色仪的优点似乎略多一些，但是光栅单色仪也存在一些短处。比如光栅存在光谱重叠的问题，而棱镜却没有；光栅还存在鬼线，这是由于刻划误差造成的，而棱镜不存在这问题。所以，对于某些场合，棱镜单色仪还是比光栅的更适合。这就是它们各自的优缺点。总结：单色仪最早是有棱镜的色散发展过来的，但是棱镜是非线性的器材，所以随着技术的进步，人们加大了对光栅的研究。如今光栅越来越多地应用在单色仪中，它的优点突出。当然也有缺点。但是随着光栅生产技术的进步，这些缺点也在逐渐减少。起初，单色仪的测量工作主要是人来操作的，如今随着自动化控制的进步，单色仪越来越多地采用了自动化的装置。自动扫描装置是完成各种实验的快速手段，而且自动扫描传动装置也有以前的正弦机构发展成了更先进的机构，如蜗轮蜗杆传动等。这样就避免了简单的正弦机构的撞车问题，同时也能实现光栅360度转动，有效地提高精度。但是单色仪依旧存在一些问题有待解决，如杂散光对获得单色光的影响，缝宽对测量准确性的影响等。由于缝宽对单色仪的波长定标的准确性有着重要的作用，在进行精密测量时，每次改变单色仪的缝宽后都要对单色仪进行重新定标才能使用。单色仪以后的改进研究也就在这些问题上，当然还有光栅的研究工作等。参考文献：[1].谷玉海.自动扫描多光栅单色仪系统研制，仪器仪表学报，2009年3月，30卷第3期.[2].付强.单色仪波长标定中波长与位移误差分析，中国科技大学，2007年7月[3].禹秉熙.单色仪的杂散光及其测量，计量学报，第12卷，第3期，1991年7月[4].王鹏程.光栅单色仪的波长标定实验研究，计量学报，第28卷，第3期，2007年9月