C―T型分光系统避免零级回反的设计计算方法

摘要：

一些CT型单色器存在光栅零级回反现象，这会引起严重的杂散光问题。从球面准直反射镜及光栅系统的基本几何关系入手，运用几何光学原理入手，分析了CT型单色器光栅准直镜系统产生零级回反的充分必要条件，即零级光柱落在第一准直镜反射面，同时光栅一部分位置落入第一准直球面镜的边缘法线以内。从而提出了在初始设计计算阶段避免光栅准直镜系统产生回反的理论措施及设计计算方法。即在设计阶段适当增加入射角，以及适当增加光栅与第一准直镜的相对距离。从而使得光栅位置全部落在第一准直镜边缘法线以外，因此能够确保系统无零级回反产生。

关键词：

CT型光谱仪； 光栅； 单色器； 分光光度计； 准直镜； 回反光谱

中图分类号： TH 744.1文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.013

引言

CT（CzernyTurner）型单色器系统如果设计不当，往往会使光栅的零级存在二次回反现象，从而产生附加的衍射杂光[12]。著名光栅制造商HoribaJobin Yvone（JY）公司推荐的典型补救措施是在光栅的回反部位（光栅中间）放置覆盖带，图1所示为目前国内外很流行使用的一款国外某公司DR5000 型分光光度计就是采取这种措施。由于其使用了JY的1200线闪耀光栅，闪耀波长250 nm，使用+1级光谱，有明显零级回反，所以采用了如图1所示光栅中左位置放置黑色覆盖带的补救措施。

但是无论二次衍射还是放置覆盖带，都会不同程度影响单色器的性能。如何使系统在使用波段范围避免二次回反发生，才是解决问题的根本所在。

1CT型单色仪的零级回反

CT型单色仪的零级回反是指：由光栅零级产生的光束照射到准直球面反射镜，复被反射镜反射回到光栅工作面上的现象。在波长范围覆盖190～1 100 nm的光谱仪中，这种情况最容易发生在光栅转角处于短波段，当光栅与准直镜处于某种充要条件时就会产生。对于光谱仪来说，零级以及各级回反都产生杂光，而且衍射杂光不仅仅由回反产生。但是零级回反一但发生，其副作用较其它原因要大得多。仅就回反而言，一旦合理采用几何光学原理设计避免了零级回反，其他各级回反也就同时避免。至于其它杂光的避免还需要不同的措施，比如安装高通、带通滤光片等，在此不作论述。所以以下先以第一准直镜为例集中进行零级回反问题分析。其后第二准直镜同理类推。

第一，（必要条件）当光栅的零级光束由于光栅转动开始进入第一准直镜，如图2所示。当光谱仪由短波向长波进行光谱波长扫描时，零级光束的方向随着光栅的转动而改变，逐渐入射到第一准直镜，该球面反射镜就有可能将此零级光束回反到光栅的工作面（即零级回反必要条件）。