光谱分析中如何获得单色光:依靠色散元件分光再配合狭缝筛选

光谱分析中如何获得单色光:依靠色散元件分光再配合狭缝筛选

那天蹲在仪器旁边调光路,反复琢磨光谱分析中如何获得单色光,手里的狭缝旋钮拧来拧去,光屏上的色带总是糊成一片,边缘互相叠在一起,根本挑不出干净的一段光拿来测样。一开始想的很简单,以为随便拿块棱镜把白光打散,拦掉别的颜色,剩下的就是能用的单色光,真上手才知道没这么轻松。

最先试的是棱镜这套路子。光源出来的复合光先穿过入射狭缝,收束成一条窄窄的光带,打在棱镜表面,不同波长的光折射率不一样,散开之后在出射的位置铺成连续的光谱带。出射狭缝卡在光谱的某一处,只放一小段波长范围的光透过去。那会儿调的时候,狭缝开宽一点,信号强,但杂光多,测出来的数据飘得厉害;收得太窄,光强又弱到检测器几乎捕捉不到信号,来回找平衡花了很久。

光栅是后来换上去试的。和棱镜靠折射色散不一样,光栅靠衍射和干涉把不同波长的光分开,色散均匀很多,长波短波之间拉开的间距差别不会像棱镜那样忽大忽小。转动光栅台,就能让不同波长的谱线依次对准出射狭缝。只是光栅有级次重叠的问题,同一角度可能混着高级次别的波长,不额外加滤光片挡一下,拿到的光里面会掺别的成分,这点当时卡了我好一阵子。

这只是我的个人感受,不是标准答案。

还有一种更省事的方式,不用色散系统,直接用单色光源。像窄带滤光片搭配普通光源,滤光片只允许特定波长附近一小段光通过,结构简单,体积小,适合一些对波长精度要求不算高的场景。它的缺点也很直观,可选的波长固定,想换别的波长就要换滤光片,不像光栅棱镜可以连续扫描波长,做全谱扫描的时候根本派不上用场。

光路里的小配件影响很大。入射狭缝不能随便开大,它是先把入射光限制成细光束,决定进入色散元件的光束宽度;出射狭缝负责截取光谱里的一小部分,两个狭缝配合起来,一起决定最终出射光的光谱带宽。狭缝平行度歪掉的时候,谱线会一边清晰一边发虚,色散开得再好也没用。

当时也见过别的人用干涉型的单色器,靠多光束干涉选出单色光,带宽可以压得很窄,单色性更好,就是对震动、温度变化格外敏感,实验室稍微有点震动,波长位置就飘,日常调试起来麻烦不少,我自己没长期用这套做测试,只旁观过几次。

很多时候大家嘴上说的单色光,严格来说并不是只有单一波长,而是一段很窄的波长区间,带宽大小取决于整套单色器的配置。不管用棱镜、光栅还是滤光片,本质上都是把复合光里不同波长成分在空间上分离开,再用狭缝或者滤光结构截取其中一部分。想要更好的单色性,一般就要牺牲光强,两者之间一直是互相牵制的。

那天最后调好光路,光屏上那一条细细的光稳定下来的时候,天已经暗了,也没有去整理记录,关掉仪器就走了。