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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 （