中阶梯光栅光谱仪及其应用

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中阶梯光栅光谱仪是什么？

许多实际的光谱应用都希望在非常宽的波长范围内获得高分辨率光谱。光谱测量的保真度随着分辨率的增加而增加，直到光谱特征被完全分辨，不仅要在光谱线和背景之间产生最高的对比度，同时，也要记录全光谱提供了源特性的完整图像。

然而，以高分辨率记录宽带光谱需要许多独立的光电探测器，不过半导体芯片中像素元件应运而生。例如，在500 nm波长的分辨率为R= 50,000时，单个分辨率元件只能捕获λ/R=10pm的波长范围。采样理论表明，至少需要两个像素来正确采样一个分辨率元素，所以探测器的每个像素只覆盖5pm的光谱。一个2000像素宽的探测器在如此高的分辨率下只能记录5nm的波长范围。要记录从400nm到1000nm的光谱，需要一个长度几十万像素、物理尺寸为米的探测器，以及配套的光学元件。

将高分辨率光谱的格式与以近似正方形格式提供所需像素数的区域探测器相匹配的一个优雅的解决方案是使用阶梯光栅。与普通衍射光栅不同的是，普通衍射光栅在衍射1阶中产生单一的线性光谱，这些光栅利用了波长和光栅衍射阶的乘积是恒定的——1阶的1000 nm与2阶的500 nm在同一方向上衍射。在非常高阶~100阶使用梯级光栅，提供高分辨率但重叠的光谱。使用同样的例子，100阶的500nm与99阶的505 nm在相同的方向上衍射。阶数每5nm重叠一次，这称为光栅的自由光谱范围(FSR)。

如上所述，5nm的光谱可以用现成的2000像素宽的CMOS或CCD检测器方便地记录，分辨率为50,000。问题仍然是检测器不能区分重叠的顺序。这是通过使用第二个色散元件，棱镜或低分辨率光栅来解决的，它垂直于中阶梯光栅，并在探测器上扇形展开，因此它们位于彼此上方的迹线中。这有效地将源光谱转换为探测器上的连续光谱迹线堆栈，每个迹线覆盖的光谱范围很短，分辨率很高。这使得在一次拍摄中记录宽带高分辨率光谱成为可能，这就是为什么阶梯光栅长期以来一直是天文观测中首选的工具。

需要专门的分析软件来解开堆叠的光谱序列，并将它们合并成一个覆盖全范围的校准光谱。这需要精确的波长校准——将每个像素的位置与唯一的波长相匹配，并仔细的通量校准以消除由光学器件和探测器的波长相关效率引起的每个阶的强度变化，特别是光栅在每个阶上印下的强度剖面(所谓的火焰剖面)。

下面的动画演示了将单个光谱转换成短而连续的光谱序列堆叠在一起的原理，形成一个阶梯状的光谱格式，可以用提供高像素计数的面探测器记录。

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超紧凑中阶梯光栅光谱仪RS10K的应用

下面的光谱展示了RS10k中阶梯光栅光谱仪在不同应用中的性能。每个光谱都是在一次拍摄中获得的，覆盖450- 1030nm范围内的数据。请注意，某些光谱已被限制在其范围内，以更详细地显示特别有趣的特征。

等离子体光谱

RS10K中阶梯光栅光谱仪可以看到指纹光谱，实时揭示化学和表面科学正在发生什么。我们很高兴能在ARC量子计算和通信技术卓越中心(UNSW悉尼)的一些测试中证明这一点，他们用O2/SF6等离子体或CF4/CHF3/Ar等离子体对量子计算机的少量硅进行反应离子蚀刻。

光源表征

RS10k可以实时显示二极管激光器的纵向模式。下图显示了中心峰波长为650±20 nm的二极管激光器的高分辨率发射光谱。

钍氩(Th-Ar)通常用于校准天文台的高分辨率阶梯光栅光谱仪。钍在紫外、可见光和近红外波段发射出狭窄的光谱线，可以作为精确的参考。光谱中也有亮几个数量级的氩谱线。

物理实验室教学工具

原子轨道可以用表示总角动量的量子数Mj来标记。在蒸汽室中，被激发的原子从较高的状态弛豫到较低的状态时发出共振光，并且只有当自旋数Mj相差1或更小时才允许光学跃迁。Mj变化为-1的跃迁产生sigma(-)圆偏振光，Mj变化为+1的跃迁产生sigma(+)圆偏振光。在外磁场中自旋能级的塞曼分裂可以用光谱测量，并且通过使用极化来独立分离sigma(-)和sigma(+)跃迁变得更容易。同时记录了镉的4种不同原子跃迁的塞曼分裂，并证明了它们具有不同的自旋-轨道耦合。

天体光子学

太阳光谱是丰富而复杂的，结合了连续光谱和许多吸收线。对这些特征的分析提供了有关太阳成分、温度和活动的宝贵信息，有助于我们对太阳和恒星物理的理解。下面的图显示了350 nm宽的太阳光谱，其中有显著特征(例如钠重态和h - α)。当单模光纤指向太阳时，捕获了光谱。

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高分辨率中阶梯光栅光谱仪RS40K的应用

下图展示了RS40k中阶梯光栅光谱仪的性能。每个光谱都是在一次拍摄中获得的，包含430-950 nm的数据。某些光谱被限制在其范围内，以更详细地显示特别有趣的特征。

光源表征

二极管激光器发射的光束通常具有很小的波长范围，称为激光线宽。这是由于在激光二极管的谐振腔内同时发生多种不同模式的振荡。这些可以包括纵向和横向模式，导致多模激光二极管。下图显示了一种廉价光纤故障检测器的光谱，其中心峰波长为650±20 nm。

汞在紫外和可见光区域有几条显著的光谱线，包括546.07 nm、435.83 nm和579.07 nm的光谱线。这些谱线表现出部分可见的超精细结构，在峰的底部表现为驼峰。这些特征的光谱宽度受水银灯内压力的影响。在R=50,000左右的分辨率下，这些特征变得清晰可辨。

当高压加在氖气管上时，氖气被激发并发光，产生不同的光谱。霓虹光谱由红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝和紫色的明亮发光线组成。这些颜色对应于氖气发出的特定波长的光。氖光谱中最突出的颜色是深红橙色。

天体光子学

下图显示了656.28 nm处h - α线周围太阳光谱的一小部分(一个阶梯形)。当单模光纤对准太阳时，获得了太阳光谱。太阳光谱包括数千条吸收线，这些吸收线是由太阳大气中不同元素的存在引起的，可以用来研究太阳的成分和温度。