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激光光谱学教学笔记之分光有术 精选

已有 7067 次阅读 2018-4-14 15:44 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

 

天不生牛顿,万古如长夜。

 

Nature and Nature's law lay hid in night ;

God said, "Let Newton be," and all was light.

                        —— A. Pope

 

牛顿把窗帘拉开一条缝,让一束阳光照射进来。白色的太阳光穿过三棱镜,在墙壁上出现了彩色的光带。这就是最早的光谱学实验,比大自然最常见的光谱学现象“彩虹”要晚了许多。

光谱学的一个主要任务就是区分不同的光,测量它们的波长和强度。最基本的一个问题是,如何把均匀的平行光束里的不同波长区分开。分开以后,才好测量强度,因为探测器通常对波长不是那么敏感——眼睛可以看到可见光的整个光谱,而三棱镜可以把可见光谱划分为很多不同的成分。常见的分光元件有三棱镜、光栅和干涉仪。

三棱镜利用了几何光学里光的折射现象。对于不同波长的光,玻璃的折射率不同,从空气进入玻璃后偏折的角度就不一样。因为光总是要从玻璃里出来的(然后才能探测它),所以还要再来一次折射。入射的表面和出射表面不能平行,否则,好不容易分开的不同波长又混到一起去了。所以,要采用三棱镜,两个面的夹角越大,分光的效果越好——但是角度太大的话,对于同样大小的光束,棱镜的尺寸就太大了。对于出射的光来说,同一种波长的光仍然是平行光束,不同波长的光出射的角度不同。在出射光路上放置一个凸透镜,不同波长的光就会聚焦在焦平面不同的位置上,这样就可以区分了。

光栅和干涉仪都是利用波动光学里光的干涉现象。光栅是在光洁的镜面上刻划了许多周期性的结构,这些周期性结构的间距与光的波长相仿,所以,出射光的方向就依赖于入射光的波长,同样起到了分光的效果。干涉仪的种类太多,无法一一介绍,就拿常见的法布里-珀罗(FP)干涉仪做例子吧。入射光束在FP干涉仪的两个高反射性表面之间多次反射,干涉的结果使得只有特定波长的入射光才具有非常高的透射率。如果想调节出射的波长,必须改变这两个反射表面的间距,或者是平行光的入射角度(注意,并不能改变太多啊,否则光没反射几次就跑掉了,因为任何镜面的大小都是有限的)。

对于干涉现象来说,最讲究的就是众志成城和齐心协力。对于光栅就是,光束的面积越大,照射到的周期性结构越多,分光的效果就越好;对于FP干涉仪来说,光束来回反射的次数越多,不同波长的透射率差别也就越大。

不管是折射还是干涉,都是把不同的波长分派到空间的不同位置上。通常用$\lambda/\delta \lambda$来描述分光元件的分辨本领,这个值越大,你在某个波长$\lambda$附近能够分辨的最小光谱范围$\delta \lambda$就越精细。但是,分辨本领也不是越大越好,而是要和你的研究目标相匹配。这就涉及到分光元件的另一个性质,自由光谱区$\Delta \lambda$,在这个范围里,不同的波长会落在不同的空间位置上,波长和空间位置有一一对应关系。超出了这个范围,同一个空间位置上就可能有不同的波长,你还是傻傻地分不清。

分辨本领和自由光谱区通常是有矛盾的。分辨本领太高,就会“明察秋毫之末,而不见舆薪”;自由光谱区太大,则会“魏武营八极,蚁观一祢衡”。进行光谱学测量的时候,往往要用几种不同的分光元件结合起来,才能达到最佳的效果:有的抬头看路,大致确定光谱的范围;有的低头拉车,仔细区分一点一滴的差别。

关于分光元件,最后再简单地提一下两个重要性质。一个是采光本领你总是希望尽可能大的接收面积和接收角度——只要你有足够的资源(包括钱和耐心);但是资源总是有上限的,这也就导致另一个限制,光的波长$\lambda$和通光孔径$D$的比值决定了“平行光束”的最小发散角$\lambda /D$,也就决定了分光元件的理论分辨极限。

了解了这些基本的知识,学会使用这些简单的设备,你就可以进入五光十色的激光光谱学世界了。



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