光栅色散原理科普

Q：光谱仪器主要元件大家还记得吗?光栅是光谱分析仪器中哪个部分的主要元件?

A：单色器

单色器的作用就是将连续光源色散为按波长排列的单色光，使我们可以从中随意选取所需要的单色光。

(有点像在医院挂号看病，如果不挂号，可能会造成秩序紊乱，但是挂完号以后大家都按照自己手中的号去排队看医生，很有秩序，效率也高)

单色器的组成元件及其作用

话题扯远了，接着回来讲光栅。刚才提到光栅是单色器的主要元件。

单色器的组成：入口狭缝、准直镜、色散元件和出口狭缝。

说到这里给大家分别讲一讲每个部件的

(1)入口狭缝：限制杂散光进入单色器;

(2)准直镜：将入射光束变为平行光束后进入色散元件;

(3)色散元件：把混合光分散为单色光;是单色器的关键部分。

常用的色散元件有：棱镜、光栅、滤光片。

(4)出口狭缝：限制通带宽度。

光栅色散原理

在这里呢，我们主要讲解色散元件中光栅的原理。

光栅表面往往具有周期性的空间结构或光学性能的衍射屏，利用光的衍射和干涉作用使不同λ的光有不同的方向，起到色散作用。

(说到这里大家可能会觉得，虽然表述语言是中文，但是怎么感觉看起来和英文一样难懂!)

接下来给大家用通俗的语言解释一下：

大家应该见过之前放映电影用的碟片，我们在拿的时候，不同角度可以观察到碟片表面有不同的颜色。

这是因为碟片表面刻有间隔的规律的刻痕，产生了光的色散现象。

反射光栅的表面也是如此。

观察上图可以知道光栅表面是规律的间隔的阶梯状结构。

当一束平行光照射到光栅上会发生衍射。衍射角可以是任意角度。

这也正是衍射和反射的区别：

衍射可以是四面八方任意方向;反射只发生在对称角度。

光照射在光栅上发生的是衍射。

(下图左侧是透射光栅，右侧是我们光谱分析中常用的反射光栅)

平行光照射在阶梯状的光栅上发生衍射，不同阶梯的衍射光互相重叠后会发生干涉。

而干涉的结果则是某一波长光的增强或削弱。

是增强还是削弱呢?这与什么有关?

与光程差有关。

当光程差是波长的整数倍的时候，互相增强，反之，互相减弱。

α：入射角 θ：衍射角

d：光栅常数

观察上图：

入射光：蓝色光比红色光的光程长dsinα衍射光：蓝色光比红色光的光程长dsinθ

则：

总体的光程差为：d(sinα+sinθ)若α与θ在垂直线两侧，则光程差为：d(sinα-sinθ)

设入射光波长为λ，在某个入射角度处：

当d(sinα-sinθ)=nλ(n为正整数)时，

光程差为波长的整数倍，二者会相干增强。

比如若d(sinα-sinθ)=385nm，这个时候λ=385nm波长的光照射光栅之后，这个波长的光会相干增强。

其他的光因为不是整数倍，会被削弱，一个增强一个削弱，这样作用的结果使得这个方向会得到385nm的光。

结论

由于光程差=d(sinα+sinθ)

可知光程差与角度有关，不同角度有不同的光程差，这样就使得我们在不同方向的衍射角获得不同波长的光，从而实现对复合光的分解，使之分解为单色光。