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棱镜式光谱仪原理
光源是棱镜式光谱仪提供光线的设备，常见的光源包括白炽灯、氘灯
和汞灯等。
光源发出的光线首先进入准直系统。
准直系统包括一个透镜或反射镜，其作用是将光源发出的光线进行聚焦，使其成为平行光束。
这样可以保证光线在进入分光系统之前是平行的。
分光系统是棱镜式光谱仪中最重要的组件，其主要作用是将进入系统
的平行光束分散成不同波长的光束。
分光系统通常由一个棱镜组成，该棱
镜具有特定的形状和折射率。
当光线从一个介质进入另一个介质时，它的
速度会改变，从而使光线发生折射。
不同波长的光线受到不同程度的折射
和偏转，因此光谱仪可以通过测量光线的偏转角度来得到不同波长的光束。
分光系统将光线分散后，将不同波长的光束引导到检测系统。
检测系
统通常包括一个或多个光电二极管或光电倍增管，用于测量不同波长的光
线的光强。
通过测量光线的光强，可以获取样品的光谱信息。
然而，棱镜式光谱仪也存在一些缺点。
首先，由于棱镜和检测系统的
特性，该仪器在整个波长范围内的灵敏度可能不均匀。
其次，由于棱镜对
不同波长的光线进行了分散，因此它只能同时测量一个特定波长的光线，
而无法同时测量多个波长的光线。
总结起来，棱镜式光谱仪是一种基于棱镜的光学原理工作的光谱仪器。
通过将进入仪器的光线分散成不同波长的光束，然后使用探测器测量不同
波长的光强，棱镜式光谱仪可以获取样品的光谱信息。
同时，棱镜式光谱
仪也具有一定的优点和缺点，科学家们需要根据实际应用需求来选择适合
的光谱仪器。
格兰泰勒棱镜工作原理
格兰泰勒棱镜是一种由英国物理学家威廉·格兰泰勒于1858年
发明的光学仪器。
它利用棱镜的折射和反射原理，可以将白光分解成不同颜色的光谱。
格兰泰勒棱镜的工作原理如下：
1. 入射光：当白光照射到棱镜的表面上时，光线会被折射。
2. 折射角：不同波长的光在折射时会产生不同的折射角，这是由于不同波长的光在介质中的折射率不同导致的。
3. 分解：由于不同波长的光线偏离的角度不同，所以在通过棱镜时，光线会被分解成一系列色彩分布较宽的连续谱。
4. 空气折射率：格兰泰勒棱镜中还有一层空气，在光线通过空气到达另一侧棱镜表面时，光线会再次发生折射。
这次折射的角度取决于空气的折射率。
5. 颜色偏移：因为不同颜色的光波长不同，所以在通过空气时，不同颜色的光线会再次发生不同程度的偏移，使得不同颜色的光线最终聚焦到不同位置。
6. 棱镜分光：最终，不同波长的光线被分散成一个连续的谱线，从红色到紫色，依次排列。
通过格兰泰勒棱镜可以实现对白光的分光，将其分解成不同波长的光谱。
这个原理在物理实验、光谱分析和光学仪器中得到广泛应用。
光电检测技术——棱镜式光谱仪原理
棱镜式光谱仪是一种常用的用于光谱检测的仪器，它通过改变光的路
径和反射角度来将多种光波长的光线分成不同的光束，从而获取光谱信息。
它的原理是利用光谱棱镜将多个波长的光谱分别反射到特定的检测器上，
测量光源在各个波长下的光强度，从而获得光谱的信息。
棱镜式光谱仪的主要组成部分包括：光源、光谱棱镜、电子光谱仪。
光源是棱镜式光谱仪的基础，它可以是一个紫外灯，也可以是激光照
明灯，也可以是太阳光等。
光源可以将被测物体照亮，同时提供不同波长
的光而成的光束。
光谱棱镜可以将多种不同波长的光束进行分离和反射，将不同的光谱
通过反射角度的变化而分别发射到特定的检测器上。
棱镜的构造取决于探
测器的类型，有单程棱镜和双程棱镜。
单程棱镜一次只能分离一种不同波
长的光源，而双程棱镜可以将光源分离成多种不同波长的光束，从而提高
了光谱的分辨率。
电子光谱仪是将光谱信息的有效参数测量出来的设备，它包括光电子
器件、放大器和数据处理系统等部件，其作用是接收棱镜反射过来的光，
并将检测到的光信号转换为可读的计算机数据，从而获得光谱仪的光谱信息。
棱镜式光谱仪可以用于检测多种物质的光谱。
分光棱镜的原理和应用1. 分光棱镜的简介分光棱镜是一种常用的光学设备，它能将白光分解成一系列不同波长的光，并将这些光按照一定的顺序和角度进行分离。
它是由两个倾斜的透明平面组成，中间被填充着具有不同折射率的光学材料。
2. 分光棱镜的原理分光棱镜的工作原理基于光的折射、反射和色散的性质。
当光线通过分光棱镜时，会发生折射和反射，不同波长的光线在经过折射和反射后会发生色散，最终被分解成谱线，形成光谱。
2.1 折射折射是光线从一种介质进入另一种介质时，由于介质的折射率不同而使光线的传播方向发生改变的现象。
当光线从空气或真空射向分光棱镜时，由于光的速度在不同介质中的折射率不同，光线会发生折射现象。
2.2 反射反射是光线碰到光滑表面时发生的现象，光线从一种介质射向另一种介质时，部分光线会被反射回去。
分光棱镜内部的倾斜平面会使光线发生反射，从而改变光线的方向。
2.3 色散色散是光线经过折射、反射或透射后，不同波长的光在空间中的分离和偏移现象。
分光棱镜中的光线经过折射和反射后，不同波长的光线具有不同的折射和反射角度，从而产生色散。
3. 分光棱镜的应用分光棱镜广泛应用于光学研究和实验中，以下列举了几个常见的应用：3.1 光谱分析分光棱镜的最主要应用之一就是光谱分析。
通过使用分光棱镜，可以将白光分解成不同波长的光线，进而分析光线中所含有的成分和特性。
这对于确定物质的组成和性质非常重要，广泛应用于化学、物理和生物领域。
3.2 光学仪器校准在制造和校准光学仪器时，分光棱镜也起着重要的作用。
通过将光线分解成谱线，并确定每条谱线对应的波长，可以准确校准光学仪器的刻度和显示。
3.3 光通信在光通信领域，分光棱镜用于分离不同波长的光信号，以便传输和接收信息。
通过使用分光棱镜，可以使光信号按照频率进行调制和解调，实现高速、大容量的光通信。
3.4 太阳能利用分光棱镜在太阳能利用中也有应用。
通过将太阳光线分解成不同波长的光，可以利用光谱中的特定波长进行太阳能的捕捉和利用，提高能源利用效率。
光谱仪是一种用于测量光的波长和强度的仪器。
它可以分为不同的类型，每种类型都有其独特的原理和应用。
以下是一些常见的光谱仪分类及其原理：
1.棱镜光谱仪：棱镜光谱仪是一种古老的光谱仪，它利用棱镜的色
散作用将不同波长的光分开。
它的原理是基于不同波长的光在棱镜中的折射率不同，因此在通过棱镜时会被分散到不同的角度。
通过测量分散光线的角度，可以确定光的波长。
棱镜光谱仪通常用于定性分析，但精度和分辨率相对较低。
2.衍射光栅光谱仪：衍射光栅光谱仪利用衍射光栅的衍射作用将不
同波长的光分开。
它的原理是基于光的衍射现象，即当光通过光栅时，会被衍射到不同的角度，从而被分开。
衍射光栅光谱仪的分辨率和精度较高，适用于定量分析。
3.干涉光谱仪：干涉光谱仪利用干涉现象将不同波长的光分开。
它
的原理是基于光的干涉现象，即当两束相同频率的光束相遇时，会产生干涉现象，形成明暗相间的干涉条纹。
通过测量干涉条纹的位置和强度，可以确定光的波长和强度。
干涉光谱仪的分辨率和精度非常高，但通常需要使用激光源和高级检测设备。
4.傅里叶变换光谱仪：傅里叶变换光谱仪是一种新型的光谱仪，它
利用傅里叶变换算法将光谱信息从空间域转换到频率域。
它的原理是基于光的波动性，即光可以被看作是一种电磁波，具有频率和波长。
通过测量光的频率或波长，可以确定光的性质。
傅里叶变换光谱仪具有极高的分辨率和精度，适用于痕量分析和高精度
测量。
全反射棱镜是最常用的一种光学元件，它可以将光束聚焦，反射，或
将它们分离。
它也可以改变光的方向。
全反射棱镜的基本原理是将一
个光束反射到另一个光束的面上，从而构成另一个光束。
在光学领域，全反射棱镜是一种具有多种用途的光学元件，它可以用
来定向反射光，定向，聚焦或分割光束。
它也可以用于调整光束的大
小和形状。
它可以制作出直射，斜射，或分径光束等。
全反射棱镜的工作原理是通过将一个光束反射到另一个光束的偏折面上，来构成一个新的光束。
当光从一个平面面板反射并通过全反射棱
镜时，光束就会受到全反射棱镜的影响而发生曲折。
棱镜有很多种类，它们的形状和结构也不尽相同。
其中一种是完全反
射棱镜，它是一种用来反射光的光学元件。
根据它们的结构，它们可
以将一个光束反射到到另一个光束上，而不会受到任何损耗。
它可以
让光在对象和背景之间清晰可见，同时还可以控制光线的大小和形状。
全反射棱镜也可以用来准确定位和定向光束，在激光制造和检测，太
阳能发电，网络通信，照度测量，光学成像，准直器等仪器和仪表的
光学系统中有着重要的应用。
总之，全反射棱镜是一种重要的光学元件，其基本原理是将一个光束
反射到另一个光束的偏折面上，构成新的光束，用来定向，控制和聚
焦光束，它在光学仪器中有着重要的应用。
光电检测技术——棱镜式光谱仪原理棱镜式光谱仪是一种常用的光电检测技术，常用于科学研究、实验室分析、工业生产等领域。
本文将介绍棱镜式光谱仪的原理以及其应用。
棱镜式光谱仪的原理基于光的色散效应。
所谓色散，是指光在通过介质时，根据其波长的不同而产生不同程度的偏折。
而棱镜是一种常用的色散元件，它可以将入射光按照波长进行分散。
因此，利用棱镜的色散效应，可以将光按照波长分解成不同的成分，从而得到光的光谱信息。
光谱仪的基本构造主要包括：入射系统、色散系统和光电检测系统。
入射系统用于引导光束进入光谱仪，常见的方式有光纤导光和准直镜导光；色散系统由棱镜或光栅组成，用于将光按照波长进行分散；光电检测系统则通过光电二极管或光电倍增管等器件将光信号转化为电信号进行检测。
当光线通过入射系统进入光谱仪后，首先经过准直镜或光纤导光进入棱镜或光栅。
棱镜的色散效应主要是由于不同波长的光在介质中的折射率不同引起的。
根据斯涅尔定律，入射角和折射角之间的关系可以用下式表示：n1sinθ1 = n2sinθ2其中，n1和n2分别为空气和介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角。
由于不同波长的光在介质中的折射率不同，因此它们会在入射媒介与出射媒介的界面上发生不同程度的折射，最终偏折出不同的角度。
而光栅的色散效应则是利用光栅的周期结构。
光栅是由等间距的线或条纹组成的光学元件，它可以将入射光分成多个独立的波束，分别以不同角度偏折。
光栅的偏折角度与波长之间的关系由光栅方程给出：mλ = d(sinθi + sinθr)其中，m为光栅的序数，d为光栅的周期，θi和θr分别为入射角和反射角。
根据光栅方程可知，不同波长的光在光栅上会产生不同的偏折角度。
无论是使用棱镜还是光栅，棱镜式光谱仪都能将光按照波长进行分散，然后通过光电探测器进行检测和记录。
光电探测器可以是光敏电阻、光电二极管、光电倍增管等，它们能够将入射光转化为电信号，通过电路处理后，可以得到光的光谱信息。
光谱仪的原理
光谱仪是一种测量光谱的仪器，其主要原理是光的分光和分散。
当光线通过光谱仪的光学系统时，光线会被分散成各种不同波长的光线，而不同波长的光线将被分布在不同位置上。
这种光线的分散可以通过使用光栅或棱镜来实现。
光栅或棱镜将光线分散成直线或射线，而分散后的光线会通过放置在光谱仪中的探测器来检测其光强度。
最终，光谱仪将测量到的光谱数据处理并输出为波长和光强度的曲线图，用以帮助我们分析物质的物理、化学与物象特性。
关于棱镜的应用原理什么是棱镜？棱镜是一种光学器件，它由透明材料制成，通常是玻璃或塑料。
棱镜具有三个或更多个表面，其中至少一个表面是斜面，使得光线在通过棱镜时会发生折射和反射现象。
棱镜的基本原理棱镜的应用原理是基于光线在不同介质之间传播时发生的折射和反射现象。
当光线在空气和透明介质之间传播时，光线会发生折射现象，即光线在两个介质之间的传播方向发生改变。
而当光线从一种介质射入另一种介质时，如果两种介质的光密度不同，光线会发生反射现象。
棱镜的光线折射和反射光线折射当光线从空气中射入棱镜时，它会遇到棱镜表面。
根据斯涅尔定律，光线在两个介质交界面上的入射角和折射角之间有一个关系：n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂，其中n₁和n₂分别是两个介质的折射率，θ₁和θ₂分别是光线在两个介质中的入射角和折射角。
根据这个关系，我们可以计算出光线在棱镜中的折射角。
光线反射当光线从一种介质射入另一种介质时，如果两个介质的折射率不同，光线会发生反射。
反射分为内部反射和外部反射两种情况。
内部反射发生在光线从高折射率介质射入低折射率介质时，而外部反射则发生在光线从低折射率介质射入高折射率介质时。
棱镜的应用棱镜在光学领域有着广泛的应用，以下列举了一些常见的应用：1.光谱分析：棱镜可以将光线分解成不同波长的光谱，通过测量这些光谱可以分析物质的成分和结构。
2.激光光学：棱镜可以用于调节激光的传播方向和分束。
通过调整棱镜的角度和位置，可以实现对激光束的精确控制。
3.显示技术：棱镜可以用于光学投影和显示设备中，用于分光和色彩校准，提高显示画质。
4.光学仪器：棱镜可以用于望远镜、显微镜等光学仪器中，用于聚焦和调节光线的传播路径。
5.光通信：棱镜可以用于光纤通信系统中，用于调整和控制光信号的传播方向和强度。
6.光电子学：棱镜可以用作光电转换器件，将光信号转换成电信号或者将电信号转换成光信号。
小结棱镜是一种光学器件，利用光线在不同介质之间的折射和反射现象实现各种应用。
第十二章光谱检测原理及应用（光谱学与光谱分析）光谱仪器是光电仪器的重要组成部分。
它是用光学原理，对物质的结构和成份等进行测量、分析和处理的基本设备，具有分析精度高、测量范围大，速度快等优点。
它广泛应用于冶金、地质、石油、化工、医药卫生、环境保护等部门；也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备。
§12—1 棱镜式光谱仪原理一． 光谱棱镜的分光原理1． 棱镜色散公式1665年牛顿发现了光的色散现象，他令一束平行的白光通过一块玻璃棱镜，在棱镜后的屏幕上得到一条彩色光带。
这就是最原始的色散模型。
如图12－1所示是通光棱镜主截面的光路图。
它是一个顶角为α的等腰三角形棱镜。
光束的入射方向和出射方向的夹角θ为偏向角。
折射定律为 n 0Sini 1=n Sini 1'n 0Sini 2'= n Sini 2如果棱镜置于空气中，n 0≈1，则（1 Sini 1=n Sini 1'Sini 2'= n Sini 2 ----------(2)如图可见 α= i 1'+ i 2 ----------(3)θ=（i 1- i 1'）+（i 2'- i 2） = i 1+ i 2'-( i 1'+ i 2)= i 1+ i 2'-α ----------(4)将折射角与入射角的关系式（2）代入上式得αθ-+=)sin arcsin(21i n iαα-⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+=)sin 1arcsin(sin arcsin 11i n n i ----------(5)由（5）式可见，对于α角已定的光谱棱镜，当入射角i 1不变时，偏向角θ是折射率n的函数。
又因为n 是波长λ的函数，所以θ随波长的不同而不同。
一束白光经棱镜后，各波图12－1（ 注：Hartman 哈特曼经验公式1)(00αλλ-+=c n nn 0 、c 和α1都是一些常数，玻璃不同，它们的数值不同。
）2. 最小偏向角条件)(1i θ 函数有一个最小值m in θ将⑷式对1i微分11'21+=di di di d θ 最小偏向角的必要条件是01=di d θ，则⑹ (11)'2-=di di将⑵式微分：⑺...................cos cos cos cos 22'2'2'1'111⎭⎬⎫⋅=⋅⋅=⋅di i n di i di i n di i 将上式相除得：'12'2'1211'2cos cos cos cos di di i i i i di di ⋅⋅⋅=将⑶式微分得'12di di -=并代入上式得⑻....................cos cos cos cos '2'1211'2i i i i di di ⋅⋅-=将此式代入⑹式得：1cos cos cos cos '2'121=⋅⋅i i i i将上式平方并利用⑵式得：22'122222'11sin 1sin .............................sin sin i i n i n i --=--⑼由⑼式可见，只有当'21i i =在 '21ii =时，有：12'22122diid di d =θ＞0在最小偏向角情况下，光路对称，内部光线平行于底边传播。
⑽.............................22'1'21⎭⎬⎫===αi i i i此时⎥⎦⎤⎢⎣⎡===2sin arcsin ,2sin sin sin 010'101ααn n i n n i n n i 则i 1随n 而变，即随λ而变。
二、光谱棱镜的基本特性 1. 角色散率不同波长的单色光经过棱镜后有不同的偏向角θ，λθd d 称为棱镜角色散率。
将⑷式中1i和α作为常量（不变），然后对波长微分，得：)11....(..............................'2λλθd di d d = 下面求dndi '2: 由于())12......(....................sin cos cos sin )sin(sin sin '1'1'12'2i i n i n i n i ααα-=-==)13....(....................sin 1sin 1cos 212'12'1ni i i -=-=将（13）式代入（12）式11221212'2sin cos sin sin ]sin cos sin 1[sin sin i i n n i ni n i αααα--=--=上式两边对n 微分：'1212122'2'2cos sin sin 1sin sin 22sin cos i n i n n i n ndn di i ααα=-=-⋅=⋅图12－3则)14(..............................cos cos sin '2'1'2i i dn di ⋅=α角色散率)15.........(....................cos cos sin '2'1'2'2λαλλλθd dn i i d dn dn di d di d d ⋅⋅=⋅==λd dn 是棱镜材料的色散率，它表示介质的折射率随波长的变化程度。
当棱镜位于最小偏向角时：2'1α=i ，1'2i i =λαλαλαλαααλθd dn i n d dn i d dni d dn i d d ⋅-=⋅-=⋅=⋅⋅⋅='1221211sin 12sin2sin 12sin2cos 2sin2cos 2cos2cos2sin 2∴)16.......(.. (2)sin 12sin222λααλθd dn n d d ⋅-= 由（16）式可见：,,↑↑n α有利于↑λθd d一般α＝60°～70°2. 光谱棱镜的分辨率两条谱线波长的平均数与这两条刚好能分辨开的谱线之间的波长差之比，成为光谱棱镜的分辨率，即λλd R =设含有两个波长（其波长差为dλ）的一束平行光,以满足最小偏向角条件(i 2’=i 1)通过图12-4所示棱镜，由（16）式，经色散后，其角距离为：dni d ⋅=1cos 2sin2αθ由棱镜矩孔衍射所决定的最小分辨角为：1'2'0cos cos i l il Dd λλλθ===而2sin2αl t =，则10cos 2sin2i t d αλθ=要能分开两个波长的光束，根据瑞利判据0θθd d ≥11cos 2sin2cos 2sin2i t dn i αλα=⋅两边除以dλ得：λλλd t d dn ⋅=1图12－4分辨率：λλλd dn t d R ==要增大棱镜的分辨率，可以增大棱镜底边长度t ，选用介质色散率λd dn大的材料。
三、单色仪系统图1.只要保持三棱镜与平面镜的相对位置不变（Φ不变），则处于最小偏向角的光线的总偏向角(δ)也不变。
试证：图12-5所示总偏向角δ与夹角Φ的关系式为：δ=1800－2Φ 证明：∵ 2∠OKM 0=1800－θmin∴ ∠OKM 0=900－θmin /2 （1） 根据反射定律 ∠O M 0K= ∠D M 0K ’∴ ∠KM 0 D =1800－2∠O M 0K (2)而在⊿O M 0K 中， ∠O M 0K=1800－Φ－∠O K M 0 （3） （1） 代入（3）得∠O M 0K=1800－Φ－900＋θmin /2=900－Φ＋θmin /2 （4） （4）代入（2）得∠K M 0D=1800－2[900－Φ＋θmin /2]=2Φ－θmin （5）在⊿KM 0D 中δ=1800－θmin －∠K M 0D=1800－2Φ （6）由公式（6）可以看出，只要保持Φ不变则总偏向角δ也不变。
即：当入射光线的光轴的空间位置不变（对机架而言），出射光的光轴的空间位置也不变。
此种棱镜称为“瓦茨沃尔脱棱镜系统”，是一种恒偏向棱镜（δ不随波长而变），如图12－6所示，其中Φ=900，δ=1800－2Φ=00棱镜与平面反射镜一起绕o 点转动，就可以使不同波长的光线以最小偏向角位置通过系统射出。
o 为折射棱镜顶角的平分线与平面镜延长线的交点。
2． 把与平面反射镜固成一体（Φ不变）绕O 点转动ω，出射光位置不变（见第1条），而此时入射角i 1发生了变化，实现了对波长λ扫描。
说明：在最小偏向角条件下 i 1’=α/2 (α为棱镜顶角) 由折射定律 n 0sin i 1=nsin i 1’ (n 0=1)∴ i 1=arcsin(nsin2α) i 1(n)是n 的函数也是λ的函数，对i 1扫描就是对λ扫描。
习题1：重火石玻璃棱镜，α=600，哈特曼经验公式为00λλλ-+=Cn n 测得λ0=203.457nm,C=14.62336,n 0=1.61738,求：λ=404.68nm 时的λd dn及角色散率。
习题2：棱镜的折射率n=1.69, 问：棱镜的顶角α有何限制？习题3：图12－6中，由准直反射镜入射到平面镜的光线与平面镜的法线成600角，采用重火石玻璃棱镜，顶角α=600，哈特曼经验公式如习题1所示。
求：出射光波长。
