光譜小百科 | 狹縫

2023-12-29 09:58:06

生活中，我們會(huì)看到***縷陽光從樹冠的縫隙、門縫、山澗的縫隙等非常狹窄的縫隙中透射出來，發(fā)生衍射現(xiàn)象，產(chǎn)生出奇特的光學(xué)效果，這是我們常說的光學(xué)縫隙效應(yīng)。通過研究光學(xué)縫隙效應(yīng)，可以更深入地了解光的波動(dòng)性質(zhì)以及光的傳播規(guī)律。

***、狹縫

狹縫是***種光學(xué)元件、是光譜儀的主要部件之***。狹縫是***條寬度可調(diào)、狹窄細(xì)長的縫孔。有固定狹縫、單邊可調(diào)的非對(duì)稱式狹縫和雙邊可調(diào)的對(duì)稱狹縫。

光輻射經(jīng)光譜儀色散分光后的每條譜線，都是入射狹縫的像。進(jìn)入單色器或從單色器出射的輻射能量，均由狹縫寬度調(diào)節(jié)?，F(xiàn)代光譜儀中狹縫與光柵的轉(zhuǎn)動(dòng)耦合在***起，可自動(dòng)調(diào)節(jié)。入射狹縫的作用是為了得到相干性較好的平行光源，出射狹縫是為了引出特定波長的譜線，這些都和光譜儀的分辨率掛鉤。攝譜儀僅有入射狹縫，直讀光譜分析儀就有入射和出射兩個(gè)狹縫。

狹縫通常由金屬或玻璃制成，其作用是限制光的傳播方向和寬度。狹縫的寬度可以通過機(jī)械加工或蝕刻等方式進(jìn)行控制，通常在幾微米到幾百微米之間。

在光學(xué)實(shí)驗(yàn)和儀器中，狹縫被廣泛應(yīng)用。例如，在光譜儀中，狹縫可以用于選擇特定波長的光，以便進(jìn)行光譜分析。在顯微鏡中，狹縫可以用于限制光束的寬度，從而提高顯微鏡的分辨率。

二、狹縫寬度對(duì)光譜測(cè)量的影響

光譜儀狹縫的寬度對(duì)光譜測(cè)量有重要影響，主要涉及到分辨率和光強(qiáng)兩個(gè)方面：

☉ 分辨率：狹縫的寬度直接影響光譜儀的分辨率，即其能夠區(qū)分兩個(gè)波長相近的光線的能力。通常情況下，狹縫越窄，分辨率越高，能夠更準(zhǔn)確地分辨不同波長的光線。然而，狹縫過窄也會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)損失，因此需要在分辨率和光強(qiáng)之間尋找平衡。

☉ 光強(qiáng)：狹縫的寬度還直接影響光強(qiáng)的傳遞。窄狹縫會(huì)限制通過的光線數(shù)量，降低進(jìn)入光譜儀的光強(qiáng)，從而降低信噪比。相反，較寬的狹縫允許更多的光線通過，提高光強(qiáng)，但可能降低分辨率。

因此，在選擇狹縫寬度時(shí)，需要考慮實(shí)驗(yàn)的具體要求做出權(quán)衡選擇。如果需要高分辨率來分辨相鄰波長，可以選擇較窄的狹縫，但會(huì)降低通過量；如果更關(guān)注光強(qiáng)，可以選擇相對(duì)較寬的狹縫，但會(huì)犧牲光學(xué)分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中，狹縫寬度通常是根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹悠沸再|(zhì)和光源特性等多個(gè)因素進(jìn)行優(yōu)化選擇的。狹縫尺寸的***佳選擇需要權(quán)衡上述兩個(gè)后果，這在很大程度上取決于具體的應(yīng)用情況。

例如，狹縫尺寸越小，所需的積分時(shí)間越長。狹縫尺寸變窄對(duì)光譜儀透過率的影響變大。隨著狹縫尺寸的減小，測(cè)量熒光分子所需的積分時(shí)間迅速增加，因?yàn)榭梢酝ㄟ^狹縫的光已經(jīng)大大減少。當(dāng)測(cè)量速度非常重要時(shí)，狹縫的重要性也就凸顯出來。

三、可更換狹縫的好處

在光譜儀中，可更換狹縫提供了更多的選擇和控制權(quán)，使得光譜儀更適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)條件和科研需求。使用可更換狹縫具有***些重要的好處，其中***些包括：

靈活性：可更換狹縫使得光譜儀更具靈活性，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同需求選擇不同寬度的狹縫。這使得在不同實(shí)驗(yàn)條件下能夠優(yōu)化分辨率和光強(qiáng)之間的平衡。
適應(yīng)不同光源：不同的實(shí)驗(yàn)可能使用不同的光源，這些光源可能有不同的光強(qiáng)和光譜特性。通過更換狹縫，可以更好地適應(yīng)不同光源，以獲得***佳的光譜性能。
定制實(shí)驗(yàn)：不同的研究目的可能需要不同的光譜儀配置。可更換狹縫使得用戶能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體要求進(jìn)行定制，以滿足特定的研究需求。
光譜測(cè)量優(yōu)化：通過選擇合適的狹縫，可以優(yōu)化光譜測(cè)量的分辨率和靈敏度。這對(duì)于需要高分辨率或高靈敏度的實(shí)驗(yàn)尤為重要。
降低光強(qiáng)損失：可更換狹縫使得用戶能夠在分辨率和光強(qiáng)之間取得平衡，以滿足實(shí)驗(yàn)的具體要求，同時(shí)***小化光強(qiáng)損失。

大多數(shù)海洋光學(xué)光譜儀的可更換狹縫有助于消除設(shè)計(jì)方面的不足，為用戶提供更大的實(shí)驗(yàn)靈活性。例如，可以指定窄狹縫，以便在尖峰吸光度測(cè)量中獲得高分辨率，然后切換到較寬的狹縫，以便在熒光和低光測(cè)量中獲得高通量。

這是前幾代模塊化光譜儀的***大進(jìn)步，原來的光譜儀需要制造商來更換狹縫組件。對(duì)于在光通量和光學(xué)分辨率之間保持精確平衡至關(guān)重要的應(yīng)用來說，必須返回光譜儀進(jìn)行調(diào)整，非常不方便?？筛鼡Q狹縫避免了這些麻煩。

四、光學(xué)分辨率和通過量

可更換光譜儀狹縫為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)吸光度和熒光測(cè)量提供了極大的優(yōu)勢(shì)。例如，測(cè)量氧化鋁的吸光度時(shí)，具有狹窄、獨(dú)特的峰值，需要恰當(dāng)?shù)姆直媛什拍苷_解決，很可能需要25μm或更窄的狹縫（圖 1）。

圖 1. 使用不同狹縫寬度的Flame 光譜儀測(cè)量氧化鋁的吸光度。請(qǐng)注意，狹縫尺寸增加時(shí)對(duì)吸光度峰值的增寬效應(yīng)。出于演示目的，光譜在y方向上進(jìn)行了歸***化。

但是，當(dāng)實(shí)驗(yàn)受到信號(hào)強(qiáng)度或采集時(shí)間限制時(shí)——即需要較短的積分時(shí)間——高通過量則成為***重要的考慮因素，而25μm的狹縫不會(huì)在所有情況下都能很好地發(fā)揮作用。

熒光測(cè)量就是這種情況，因?yàn)樾盘?hào)可能非常低，特別是在熒光分子濃度較低時(shí)。例如，以低濃度使用熒光標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的驗(yàn)證。在此類應(yīng)用中，如需改進(jìn)分辨率，較大狹縫的高通過量比較窄狹縫的更有效。

圖 2 展示了狹縫尺寸變窄時(shí)對(duì)光譜儀光通量的影響。對(duì)于較小的狹縫尺寸，測(cè)量熒光分子所需的積分時(shí)間快速增加，因?yàn)榭赏ㄟ^狹縫的光量大大減少。當(dāng)測(cè)量速度至關(guān)重要時(shí)，這具有非常切實(shí)的優(yōu)勢(shì)。

圖 2. Flame 光譜儀測(cè)量水中熒光素的熒光。對(duì)數(shù)圖顯示了根據(jù)狹縫大小達(dá)到***佳信號(hào)電平所需要的積分時(shí)間。狹縫尺寸越小，所需要的積分時(shí)間就越長。

利用海洋光學(xué)光譜儀的可更換狹縫，用戶只需更換狹縫，即可調(diào)節(jié)光譜儀的光學(xué)分辨率和光通量性能?？筛鼡Q狹縫為用戶提供了光譜儀設(shè)計(jì)的更多自由度，無需在制造商工廠內(nèi)對(duì)光譜儀進(jìn)行返工和重新校準(zhǔn)。

五、如何更換狹縫

具有可互換狹縫功能的光譜儀允許輕松更改光譜儀的分辨率和靈敏度，以優(yōu)化測(cè)量，或在不同類型的測(cè)量之間進(jìn)行更改（例如從吸光度更改為熒光）。

*如果從標(biāo)準(zhǔn)狹縫更改為帶濾光片的狹縫，必須重新校準(zhǔn)光譜儀，因?yàn)闉V光片會(huì)改變光譜儀的光學(xué)焦點(diǎn)和波長校準(zhǔn)。在這種情況下，你需要把分光計(jì)送回海洋工廠。

*當(dāng)從較大的狹縫變?yōu)檩^小的狹縫時(shí)，必須重新校準(zhǔn)。當(dāng)從較小狹縫更換為較大狹縫時(shí)，可選擇不重新校準(zhǔn)，但是建議始終執(zhí)行校準(zhǔn)，以確認(rèn)安裝新狹縫后波長校準(zhǔn)仍然準(zhǔn)確。波長校準(zhǔn)需要使用到波長校準(zhǔn)光源。具體的波長校準(zhǔn)請(qǐng)咨詢工程師。

*多種狹縫選擇，孔徑狹縫組件尺寸從 5 μm-200 μm 不等?？筛鼡Q狹縫的光譜儀型號(hào)，請(qǐng)咨詢我們技術(shù)銷售。

可用的狹縫包括：