[科普中国]-光栅分光计

光栅分光计(Grating Spectrometer)是指采用光栅作为色散系统的光谱仪。光栅分光计分为平面光栅分光计和反射式光栅分****光计两类。平面光栅分光计通常由准直管、平面光栅和会聚透镜等三部分组成。准直管形成的平行光束经光栅各狭缝衍射，并发生干涉而在透镜焦平面上形成几条偏转方向不同的谱线，按偏转的大小为序。称为第一级(偏转最小)，第二级……谱线。复色光将分解为各级光谱。反射式光栅分光计是能应用于全部紫外线光、可见光和红外光波段的光谱仪。参阅“摄谱仪”1。

基本介绍衍射光栅是利用光的衍射原理使光发生色散的元件，它是由大量相互平行、等宽、等距的狭缝(或刻痕)构成。它能产生间距较宽的光谱线。可用作分光元件，用来制成单色仪、光谱仪等设备，在光谱分析和光谱测量中有着重要的作用。它不仅适用于可见光波段，也适合于紫外、红外甚至远红外的所有光谱波段。

分光计是用来精确测量入射光和出射光之间偏转角度的一种基本光学仪器，在工业上也称测角仪，利用分光计可以间接测量折射率、光波波长、色散率以及光谱的定性分析等。

光栅分光计是用光栅作为分光元件的分光计。一般包括准直管、光栅和会聚透镜三个部件。准直管形成的平行光经光栅衍射，其衍射规律服从：d(sinθ±sini)=Kλ，式中d是光栅常数；i是入射角，θ是衍射角；若i与θ在光栅平面法线同侧，式中取正号，反之取负号。于是波长不同的光偏向不同的方向。再经会聚透镜而形成谱线。式中K为光谱级数，如K=1称一级光谱，K=2为二级光谱，等等。与棱镜分光计相比，光栅分光计的一个重要优点是它的分辨本领大得多。光栅的分辨本领R=KN，N为光栅刻痕总数。光栅分光计的另一个优点是它适用的光谱范围比棱镜大，因为能透过棱镜的光谱范围总是有限的，而目前广泛使用的反射式光栅，能应用于全部紫外、可见和红外光波段。光栅分光计的第三个优点是它所得谱线较细锐，光谱是匀排的，便于用上面给的光栅方程作定量计算。

夫琅和费在1822年用钻石在玻璃上刻出了第一块光栅，组合成一个简单光栅分光计，用它测定了钠D线的波长，与现在的公认值只差0.5纳米。现代大型的质地优良的分光计都是光栅分光计。所使用的平面反射光栅通常是在玻璃坯平面上镀一层铝膜，然后用刻划机在铝膜上刻槽而成。每毫米槽线数大致如下：真空紫外区，1200～3000线/毫米;近紫外和可见光区，600～1200线/毫米;近红外区，200～300线/毫米;中红外区，50～100线/毫米;远红外区，1～50线/毫米。

分光计概述分光计是具有聚光、分光和测谱性能的光谱仪器。例如在光谱仪器基本结构图中(见光谱仪器)，在焦面F后面加一目镜和L2组成望远镜，利用其中叉丝可以确定所观察谱线的波长。中学里常用的分光计一般由装在三脚座上并在同一平面内的准直管、棱镜台和望远镜三个主要部件构成。棱镜台为一圆盘，可以绕中心轴转动，其底座上刻有游标。望远镜则和底座外围刻有角度读数的圆环相连，它们也可以绕中心轴旋转。但准直管的位置固定。从光源发出的光。经准直管变为平行光，再经棱镜色散，改变方向，用望远镜观察而在圆环上读出所偏转的角度。望远镜中还装有准丝以增加测量的精确度。

1814年，夫琅和费在研究太阳暗线时改进了当时的观察仪器，设计了由平行光管、三棱镜和望远镜组成的分光计。这是第一个分光计的出现，其设计思想、基本构造原理是现代光谱仪、摄谱仪设计制造的基本依据。分光计经常用来测量光的波长、棱镜角、棱镜材料的折射率和色散率等。

分光计的结构分光计由平行光管、载物台、望远镜、刻度盘和底座五部分组成。图1是JJY型分光计的外形图2。

1一底座；2一刻度盘；3一载物平台；4一平行光管；5一望远镜；6一狭缝调节螺钉；7一狭缝简固定螺钉；8一平行光管仰角调节螺钉；9一平行光管水平微动螺钉；10一游标窗定位螺钉；11一载物台调平螺钉(三个)；12一望远镜架固定螺钉；13一望远镜微调螺钉；14一望远镜水平方向微动；15一望远镜仰角调节螺钉；16一目镜筒固定螺钉；17一小灯泡；18一凸透镜；19一望远镜目镜；20一望远镜物镜；21一刻度盘定位螺钉。

1)平行光管

平行光管是产生平行光的装置，其结构见图2，它由物镜L(固定在管的一端)和狭缝S组成，狭缝宽度可以根据需要调节。狭缝相对于L的位置可由套筒移动来调节再由螺丝固定。当狭缝位置调至L的焦面上时，在某光源的照射下，狭缝诸点如A，B，…等发出的光经物镜折射后均为方向不同的平行光束，如用已经自准直调焦无穷远的望远镜对准平行光管观察，这些不同方向的平行光束被望远镜接收后分别会聚成相应像点，观察者看到的便是由这些像点组成的狭缝的像，甚至狭缝两边刀口的形状都清晰可辨。这时说明平行光管发出的便是平行光。

2)望远镜

(1)目镜和物镜。望远镜是一种助视仪器，可将远处物体对人眼中心的张角即视角放大很多，从而使人眼能看清远处物体的细节。

望远镜的机械部件分为外管、中管和内管，彼此可以相互移动，也可用螺丝固定。望远镜的光学部件由两块焦距不同的会聚透镜(为消除像差可用透镜组)组成，如图3所示，其中焦距较大的一个作为物镜固定在外管端口；焦距较小的一个作为目镜固定在内管端口，令物镜和目镜组成共轴系统，并使物镜的第二焦点与目镜的第一焦点靠近。

(2)分划板。用于测量的望远镜内都装有一块分划板被固定在中管，它是用透明材料制的薄板，板上的叉丝是用来做定标用的标准线，在分划板的内侧边面紧贴一个带45。反射面的小折光棱镜，棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色，仅留有一个绿色的小十字线孔。在中管侧面的圆孔里，放一个小灯泡，灯光通过小棱镜从45。反射面照到分划板上，贴面的涂黑部分形成阴影，透光部分便形成一个在分划板上的绿色的十字线物。

3)载物平台

载物平台系用来放置三棱镜或光栅等被测元件的平台，它可固定在中心杆上绕通过平台中心的铅直轴即仪器主轴转动，也可沿杆上下升降，并固定在任意高度上，平台下面有三个螺丝(见图1之11)，用以改变平台对铅直轴的倾斜度。

4)读数圆盘

读数圆盘分内盘和外盘，两盘均刻有角度标尺，标尺一圈360。，共分720格，每格0.5。，载物平台可与内盘固定而一起绕主轴转动，也可与内盘脱离；望远镜可与外盘固定而一起绕主轴转动，也可分离单独转动。它们到底处于何种状态，将由图1中的9，10，11三个螺丝控制。望远镜和载物平台的相对方位或转动的角度可由读数圆盘上读取。为提高精度，在内盘的对称位置上装有两个角游标，相距180°。游标尺上分的30格，与主尺上29格的弧长相等，因此刻度最小读数为17。装两个游标的目的是为了消除读数圆盘刻度中心与仪器主轴之间的偏心差，记录内、外盘的角位移时，应从两个游标尺上分别读取两个角度，再取其平均值。

分光计的调节1)望远镜的成像

用望远镜观察远处物体时，物体各点发出的光通过物镜成缩小实像在焦点外侧附近，并调至恰好落在目镜焦点内侧附近，其经目镜的放大虚像调至明视距离(约25cm)便被观察清楚。由于视角已被放大，可以分辨像的细节。

如果想对像定标，则事先调节内管，使分划板恰好位于目镜焦点内侧附近，并被观察清楚，那么叉丝的像和物体的像均成在明视面上，这可用视差法来检验，即左右移动眼睛时，两像没有相对移动可证明它们共面。

2)自准直法调焦至无穷远(简称调焦)

因为在观察光谱时，平行光管发出的是平行光，调节平行光时，需移动狭缝相对于物镜的距离，何时是平行光的判断标准正是用已调焦至无穷远的望远镜来看清发出平行光的狭缝。一般均用自准直法来调焦至无穷远。

自准直法的原理是镜筒内设一发光物，它发出的光从物镜折射至镜外，倘若有一平面镜恰与光轴垂直，则将这束光反射回到物镜又折射人望远镜筒内成像。只有物发出的是平行光时，平面镜反射回来的才是平行光，也才能成与物等大小并处于对称位置的像。因此，我们接通中管侧面圆孔里小灯泡的电源，使绿色十字线物发光，调节中管(调焦)使分划板恰落在物镜的焦面上，则十字线物发出平行光，它遇到平面镜反射回镜筒内，成的十字线像便会呈现在十字线物的对称位置上。如图4所示，十字线物在竖直叉丝上偏下，十字线像在竖直叉丝上偏上。这时望远镜便处于看清了物从“无穷远”外发出平行光成清晰像的状态，也就是已调焦至无穷远。本实验采用放在载物平台上的带平面底座的平面镜做自准直调焦的反射平面镜。自准直调焦技术性很强，主要困难在于不停地调节中管的同时，还要调节平台的三个螺丝，改变反射镜的倾斜度，使其被调节至与望远镜光轴垂直，否则它会将从望远镜筒射出来的平行光反射到筒外，这时，无论怎样调节中管在望远镜内也找不到十字像。

为给初学者减小困难，实验室备有一片粗质平面镜，可将其贴在望远镜外端口，调节中管(调焦)一般均能在视野里出现十字线像。因为端口和反射面均不是严格的光学表面，所以像的位置很可能与物不对称，但能看清楚“无穷远”处物的像，这已为自准直法调焦带来了方便。

自准直法调焦具体过程分为两步：

第一步：置平面镜于载物台之前，先用肉眼观察，调节各可调部分处于适中状态，比如望远镜处于可上下倾斜的中间状态，调载物台上的三个螺丝大致等高，保持平台基本水平，如果想确定平台水平也可采用水平仪调节。用水平仪调节三点面时，如图5置法可快速完成，先置水平仪于A状态，调节b，c两点等高，然后置水平仪于B状态，只调节a一点，便可使a与b，c等高。

第二步：置平面镜于载物平台中部，并与任意两个调节螺丝连线平行。旋转平台使其反射面与望远镜筒大致垂直，用肉眼沿望远镜外边缘向反射面望去，微旋平台和望远镜倾斜度直至在反射面上看到亮的光斑，以后再通过望远镜去观察，调节中管，并仍需极小心的微旋上述部件便可找到十字线反射像，见到像之后，再继续调节直至它成在物的对称位置，自准直调焦便告成功。

3)调望远镜光轴与载物平台转轴(仪器主轴)垂直

为了测三棱镜顶角或观察光谱，均要求望远镜光轴与仪器主轴垂直，并且要求棱镜的两个光学面与仪器主轴平行。在将三棱镜替换下平面镜时，为后面调节方便应将三个顶点与载物台的三个调节螺丝对应。望远镜虽已用平面镜自准调焦，也只能较容易地调节与三棱镜一个光学侧面垂直，而若旋转望远镜至另一光学侧面观察时却未必能找到反射像，这说明望远镜光轴与棱镜另一光学侧面并不垂直。为此，必须用调节第一个光学面的同样方法再来调节第二个光学面。但是，不难想象，在调第二个面时，各部件的移动和状态的改变必然又破坏了望远镜与第一个面的垂直状态。往往是找到一个面的十字线反射像，又丢了另一个面的十字线反射像。所以应该在调另一反射面之前，将已找到的十字线反射像调至视野中心而不要一次到位，在调节另一反射面时，不时地转回来观察像的位置，监视像不要在视野内消失，一旦两个像均已出现，在对各像细调到位时，可先调至一半位置留一半做调节余地，然后再分别逐步逼近，直至两个面均调至反射像到位。这种逐步逼近的方法在其它调节中也常使用，称半调法。若反复调节、观察，至两个面的反射像均与物对称，则说明望远镜与载物平台转轴已经垂直，且棱镜的两透光面也与仪器主轴平行。最困难的调节已告完成2。

摄谱仪摄谱仪是将复色光分解为光谱，并对其进行摄影记录的精密仪器。主要由三个部件组成：①准直管。包括透镜、反射镜及在焦平面上的狭缝等，由狭缝入射的光线经过准直管后成为一束平行光；②色散系统。一般是棱镜或光栅，使从准直管中射来的平行光按波长分解为若干束前进方向不同的平行光；③照像系统。由会聚透镜将不同方向的平行光会聚在其焦平面的不同位置而成光谱，并由置于此焦面上的照相底板记录下来。

现代光谱的光电记录等新技术日新月累，但照像方法仍有其生命力，一是由于照相底板能同时记录很宽波段内的全部光谱，二是照相底板也是一个好的积分器，只要仪器稳定，它对弱的光源可以曝光几小时甚至几天。现在有适合各个波段的照相底板，还出现了非银盐材料底板，它不需繁琐的暗室工作。照像底板的一大缺点是分辨能力受感光材料颗粒的限制。1842年英国科学家德雷珀(J.W.Draper)拍摄到太阳的夫琅和费线，1843年又首次拍摄了衍射光栅产生的光谱，成为摄谱仪投入实用的开端。现在无论是研究所或学校的实验室中，使用摄谱仪摄取光谱照片是光谱实验的常用方法。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所