光譜儀凹面光柵

直讀光譜儀衍射光柵(以下簡稱光柵)是這樣一種裝置，它相當(dāng)于排列在一個光學(xué)平面或凹面上許多相距很近又相互平行的等寬狹縫。在透射光柵中，光線通過這些狹縫；在反射光棚中，光線從一個鍍鋁的光學(xué)表面上的許多平行刻線上反射過來，而每一條刻線都起著一個狹縫作用。一般光柵都是將鍍有鋁膜的石英坯件放在一種精密的刻劃機械上刻制出來的，這種光譜儀光柵稱之為機刻光柵，其復(fù)制品則為復(fù)制機刻光柵。另外一種以全息照相制造的光棚，即所謂全息光柵。

直讀光譜儀光柵是一種非常有用的色散元件，它可以用于由幾十埃至幾百微米的整個光譜域。由于目前光柵刻制技術(shù)的不斷提高，并發(fā)明和提高了復(fù)制技術(shù)，致使光柵光譜儀得到廣泛應(yīng)用。

光柵理論在許多物理光學(xué)教科書中都可以找到。在這里我們將對它的原理做一簡淺的介紹。

光柵公式見式：

mA =a(sina +sing)

公式中a——人射角，即入射光與光柵法線形成的角度，永遠取正值；

β—一衍射角，即衍射光束與光柵法線形成的角度，如β與a都在光柵法線的同一側(cè)，則β為正，如β在法線的另一側(cè)，則B為負值；

a——相鄰兩刻線面的距離，一般稱光棚常數(shù)；

λ——衍射光的波長；

m——干涉級或稱光譜級，也稱譜級。

對平面光柵或凹面反射光棚都是適用的。光柵公式的推導(dǎo)見圖。

直讀圖代表平面反射光束的一段垂直刻線的截面。設(shè)一束平行光束人射到光柵表面上來(人射角為a)在光柵每一條刻線上就產(chǎn)生衍射，衍射光線朝各個方向射過去。由于相鄰的刻線距離a與波長同一數(shù)量級，所以這些衍射可包括很大的角度。

在直讀光柵圖中，相部兩刻線對應(yīng)位置的點A、B上的1、2兩條光線，以及衍射后衍射角B離開光柵的光線1’、2’，光線1、2在A，D點是同相的(AD垂直于入射光束）它到達AB點的光程差為DB=asina，當(dāng)它們從刻線上以β角方向衍射出去之后，光程差又增加或減少了AC=asing。因而總的光程差為DB±AC=a(sina±sinB)。顯然當(dāng)光線1、2和1’、2’在光柵表面法線的同一側(cè)時，總的光程差為DB+AC；如不在同一側(cè)，則總光程差為DB-AC。根據(jù)光的干擾原理，如總光程差等于光線波長的m倍(m=0，1，2，3……)，則從各刻線上以相同角度β衍射過來的光線都是相同的，即起增加(疊加）作用。此時，如果以成像物鏡將這些光線聚焦到可在這個與法線成B角的方向上得到一個光源的明亮的像，在其他的衍射角上，從各刻線上產(chǎn)生的子波都將相互干涉抵消而使光強為零。對給定波長的光以一定的角度人射時，從所有刻線上反射過來的光只有與光柵法線一定的角度時才是相同的。以上的討論歸結(jié)為上述光柵公式mλ=a(sina+sinB)。

從直讀光譜儀光柵公式可以看出以下的事實：

(1)當(dāng)光棚常數(shù)a及人射角a為給定值時，對某一級m不同的波長λ的光會被衍射到不同的B角方向，這就是光柵的分光作用。這些被分光了的光束經(jīng)聚焦后就成為按波長排列的狹縫像——光譜線。然而，應(yīng)該看到，一級光譜中波長為A的譜線和波長為A/2二級譜線，波長為λ/3的三級譜線………重疊在一起，這是光柵光譜的一個特點，必須避免不同譜級譜線的重疊問題。

（2）當(dāng)m=0時。β=-a，任何A值都可滿足光柵公式。這時光柵的作用就像一面反射鏡一樣，在B=-a方向成一不被分光的零級像，人射光束中的所有波長都疊加在這零級像中，零級像有時被稱為“直射反射像”或“中央像”。

（3)對同一譜級，波長愈短的譜線離零級像越近

（4)當(dāng)-B>a(即B與a不在光柵法線同側(cè)，并且|B|>|a|時，m為負值，因λ及a都不可能為負值)，這表示衍射而產(chǎn)生的光譜與人射光束不在零級像的同側(cè)。