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摘 要

本文分析和计算了光栅光谱仪的实验室色分辨本领。文献上在计算光栅光谱仪色分辨本领时，将光源看做数学上的点或线，然而在实验中光源是有一定宽度的，这会对色分辨本领造成影响。本文对实验中色分辨本领公式进行推导，结合公式及计算数据对分辨本领进行分析和讨论，发现实际分辨本领比理想情况下的要小得多。关键词：光栅，光栅光谱仪，分辨本领，实验误差Abstract：In this article the chromatic resolving power of grating spectrometer in laboratory is anlyzed and calculated. In ordinory literature the chromatic resolving power’s fomula is deduced basing on that the light souce is a pure mathematical line or dot. In fact, the light souce is always a certain width or size, and it can influence the chromatic resolving power. The actural chromatic resolving power’s fomula with the souce being a definte width has been deduced in this paper, and some experimentry examples of the grating spectrometer are also discussed. As a result, the actual resolving power of a grating spectromerer is smaller than the theoretical case. Keywords: Grating, grating spectrometer, chromatic resolving power, experiment error

目 录

1 引言 4

2 光谱与光栅及光谱仪的理论知识 4

2.1 光谱 4

2.2 光栅 5

2.2.1 衍射光栅的分类及应用 5

2.2.2 光栅的结构与基本特性 6

2.2.3 光栅方程 7

2.3 光谱仪 8

2.3.1 光谱仪的分类 8

2.3.2 光谱仪的基本组成 8

2.3.3 光谱仪的基本特性简介 9

3 光栅光谱仪分辨本领 10

3.1 光栅的分辨本领 10

3.1.1 光栅的色散本领 10

3.1.2 瑞利判据 10

3.1.3 光栅分辨本领公式推导 11

3.2 光栅光谱仪分辨本领 12

3.3 光栅光谱仪分辨本领公式推导 13

4 光栅光谱仪分辨本领计算实例 14

4.1 光栅光谱仪各参量假定 14

4.2 计算结果 15

结 论 17

参考文献 18

致 谢 19

1 引言

光谱仪是进行光谱研究和物体的光谱分析的装置。从Isaac Newton以来光谱技术得到了广泛的应用和发展。十九世纪末Henry Rowland发明了衍射光栅刻划机和凹面光栅分光装置，从此光栅分光仪器成为光谱领域的主角。它是应用光学技术及光谱技术原理，对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的基本设备。它的基本作用是测定被研究的光的光谱组成，包括它的波长、强度、轮廓等，具有分析准确度高、测量范围大、速度快和样品用量少等优点。

作为一种兴起时间并不长的技术，光谱仪在近几十年来有着巨大的发展，尤其是在激光技术、信息处理技术、电子技术、计算机技术以及新型元件的推动下。在二十世纪中期同步辐射光源和激光光源的出现，二十世纪末高分辨率、高量子效率和高灵敏度固态探测器技术的进步，使得光谱仪的面貌焕然一新。如今光谱仪一方面高端仪器向高分辨率和高通量的极端发展，另一方面中小型仪器在追求通用化、低成本和智能化的同时也在不断的大幅度提升分辨率和灵敏度。总的来说多种技术的进步使得该技术领域有了巨大的进步空间。

我国在上世纪五十年代末研制的第一光谱仪器，在近二十年来我国的光谱仪器发展速度较快。目前已经生产了多种型号的仪器，在工业、农业、国防、遥感、天文、化学、物理、材料科学、环境监测、生命科学等各个领域都发挥着重要作用。

2 光谱与光栅及光谱仪的理论知识

2.1 光谱

光谱学是光学的一个分支学科，它主要研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间的相互作用，通过这些相互作用我们就可以鉴别元素或者获取相关的物理、化学的，定性、定量的动力学演化的知识。

光谱作为科学概念，可以追溯至1665年Isaac Newton的日光色散实验。太阳光呈现白色，当它通过三菱镜折射后，将形成由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺次连续分布的彩色光谱，覆盖了大约在380到780纳米的可见光区。Newton对光的分析使得人们第一次接触到了光的客观的和定量的特征，是光谱科学的开始。

1800年William Herschel发现了近红外光谱，1801年J.W.Ritter发现了紫外射线，其后光谱技术得到了广泛的应用。科学家在研究太阳，恒星，星云的光谱、化学组成和运行速度，气体的吸收谱和发射谱，进行化合物的组成分析都应用到了光谱技术，很多新的化学元素的发现也和光谱技术有着密切的联系。1802年，沃拉斯顿观察到了光谱线。1803年，物理学家托马斯·杨进行了光的干涉实验，提出了测定光波长的方法。1828年Josef Fraunhofer出版的著作描述了太阳光谱中的500多条暗线，并且发现了月亮和行星具有类似的光谱特征。到了1859年，G.Kirchoff和R.W.Bunsen首先指出了不同元素都具有独特的吸收和和发射光谱特征。他们将光谱学应用于化学领域，发现了几种新元素。1895年Henry Rowland使用衍射光栅记录20，000条太阳光谱线，在很长时间内这些谱线都是公认的标准。从十九世纪中叶起，氢原子光谱的研究是一项重要的课题，在探索氢原子的光谱奥秘的过程中所取得的成就对量子力学法则的建立有着巨大的作用。

根据研究光谱的方法的不同，可以将光谱学区分为发射光谱学、吸收光谱学与散射光谱学。

现在观测到的原子发射的光谱线已有百万条，每种原子都拥有独特的光谱。根据光谱学的理论，每个原子都有其自身的一系列分立的能态，每一能态都有一定的能量。

2.2 光栅

光栅和棱镜一样，都是一种重要的分光元件。当包含有不同波长的入射光经光栅衍射后，不同波长的光可被分开，由于其具有很高的分辨本领和很高的角色散率,所以有广泛的应用。

2.2.1 衍射光栅的分类及应用

衍射光栅是一种分光元件，亦是光谱仪的核心元件。而衍射光栅的分类标准有很多。

（1）按材料不同分为：金属光栅、介质光栅；

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