将光线引入单色仪（Monochromator）

在本教程中，我们将简要介绍如何将光引入单色仪，以及您可以期望从单色仪中获得多少光。虽然重点是将Oriel光源与Oriel单色仪耦合，但同样的一般原则适用于从任何光源收集光进行分析。具体来说，我们在此介绍的所有收集原则都可应用于摄谱仪和单色仪。在这些页面中，我们使用单色仪一词来表示这两种仪器。

几何范围将在 "光收集和系统吞吐量 "中讨论。在这里，它被定义为 G = AΩ，其中 A 是系统中像面上的成像面积，Ω 是相关的实体角。我们还注意到，光学系统中任何组件的最小几何范围都会限制系统的吞吐量。在许多光谱系统中，单色器是几何范围最小的部件。单色器的几何范围是狭缝面积和接受固角的乘积。我们的77200和77700 1/4米单色仪的几何范围大于我们较小的1/8米单色仪和摄谱仪。

一旦您选择了单色仪，您就无法再增加它的几何尺寸，因此您必须考虑光源和探测器的耦合问题。在此，我们提供一些帮助，以确保您可以优化的输入光学器件不会限制系统的吞吐量。

如果您将单色仪与光源结合使用，以提供单色激发光束，杂散光通常是一个小问题；无论几何形状如何，尽可能多的光进入系统通常是我们的目标。但是，如果在输出端有一个探测器，特别是大面积探测器，如Oriel的InstaSpec™ CCD，杂散光可能是一个重要的考虑因素。您可以通过限制单色器输入端的几何范围来提高系统的信噪比。我们的77400和77700型号具有内部挡板，可以做到这一点。

验收锥和单色仪光学系统
图1显示了77200 1/4 m单色仪的光学系统。我们的 77250 1/8 m、77700 MS257™ 和 Cornerstone™ 仪器具有类似的布局。


图1：77200 1/4米单色仪的光学系统。
图2显示了图1中单色仪的光学等效输入。


图2. 77200的狭缝、第一反射镜和光栅的光学等效。
从图1和图2中不难看出，单色仪有一个接受金字塔，通常用F/#来描述。内部光学元件的位置和尺寸决定了金字塔。如图2所示，光学等效物是位于狭缝后面的光栅图像。只有沿光栅图像方向通过狭缝的光才有用。

通常，金字塔被视为接受锥，锥峰位于狭缝中心，F/#由方形光栅图像上的等效圆定义。等效圆 "是与其对应的正方形具有相同面积的圆；与使用内切圆或外切圆相比，该定义可获得更精确的F/#近似值。根据等效圆，77200

1/4 m具有半角为6.4°的验收锥。77250 1/8 m的半角为7.7°，MS257™为7.4°。Cornerstone 130和260单色仪的接受锥半角也分别为7.7°和7.4°。

表1 各种F/#仪器的半角和实心角值

单色仪F/N值的相关性
在 "光收集和系统吞吐量 "一文中，我们讨论了F/编号的概念。较低的F/#通常与较高的集光能力或吞吐量相关。这源于一个概念，即采集的光或光通量Φ与F/#的平方成反比。也就是说

如前所述，几何范围比F/#更重要。我们的77250和77200单色仪提供了一个很好的例子，说明几何范围如何比F/#更好地衡量吞吐量。77250的有效F/#为3.7，77200为F/4.4。根据F/#和采集光之间的关系，您可以预期77250的吞吐量将高出(4.43/3.72)2 = 1.42倍。然而，为了保持给定的带宽，77200的狭缝宽度是77250的两倍。忽略狭缝高度差，使用几何范围方程得出的结果是，对于宽带源，77200的吞吐量是77250的1.38倍。

在比较等效狭缝面积的单色仪时，F/#只是唯一标准。

入口狭缝在出口狭缝上成像
照射到光栅上的光被分散，使每个波长以适当的角度离开光栅（理论讨论参见光栅物理学）。一小部分波长以正确的角度离开光栅，通过出口狭缝。

我们可以忽略波长色散效应，以了解单色仪光学系统的一个重要结果；光学系统将入口狭缝成像到出口狭缝（光谱仪中的探测器上）。在光栅角度较小的情况下，成像效果通常为1:1，但具体情况因仪器而异。MS257™系统的放大率为110%。这一点意义重大。当试图将单色仪输出的光束送入小型探测器或光纤出口狭缝时，出现光束的大小和位置至关重要。输出光束的大小和位置在很大程度上取决于输入狭缝的照度。

优化单色仪
您必须选择最有效的光栅，并优化任何单色器的狭缝尺寸，以获得最高的吞吐量。

衍射光栅
为相关波长选择最有效的光栅。光栅的发光波长是一个很好的指导。当工作光谱范围较宽时，选择能补偿其他系统低效率的光栅。图3显示了两种光栅的相对效率。波长为750 nm的光栅在500 nm以上的光谱范围明显更佳，而波长为250 nm的光栅在紫外光谱范围更佳。


图3. 两个600 l/mm光栅的效率。
狭缝宽度
选择狭缝宽度通常是为了获得所需的带通或光谱分辨率。为了优化吞吐量，在保证其他系统要求的前提下，应尽可能使用最宽的狭缝。

增加狭缝宽度的效果取决于

狭缝平面上的源图像
源光谱
如果输入狭缝上的源图像大而均匀，那么对于光谱分布平坦的宽带源，将两个狭缝的宽度增加一倍，则进入单色器的辐射量大约为原来的四倍。强光谱特征会从根本上改变这种 "增益"。

图4显示了6333 100 W QTH灯在500 nm波长时，通过77250 1/8 m单色仪的功率与狭缝宽度的测量变化。使用F/1.5聚光器收集光束，光束以F/4.5聚焦在单色器上，因此狭缝上的光源图像尺寸为6.9 x 12.6 mm，超过了最宽的狭缝。

将两个狭缝的宽度增加一倍，单色光源的功率将增加一倍，从而使狭缝宽度过满。

许多光源在输入狭缝上产生不均匀和不规则的图像，并且具有光谱线结构。将两个狭缝的宽度增加一倍，功率会增加 2 到 4 倍。

如果狭缝大于狭缝上的光源图像，那么打开入口狭缝对通过单色器的功率没有影响。在这种情况下，对于宽带光源，出口狭缝宽度增加一倍仅能使功率增加约2。

图4：(a) 使用77250单色仪在500 nm波长处测得的功率随狭缝宽度的变化，该单色仪带有500 nm炽热光栅。 (b) 功率随狭缝宽度平方变化的理想关系。
狭缝高度
当狭缝平面上的源图像较长时，请尽可能使用最长的狭缝。长狭缝可为狭缝上的长源像提供更高的吞吐量。6269 kW 氙灯的光在 F/1 下采集，在 F/5 下成像，狭缝上的弧形像高约 16 mm。77200的18毫米固定狭缝比多狭缝轮上的12毫米狭缝多30%的功率。

我们在上面提到了输入狭缝在输出上的成像。如果输出落在小样品、探测器或光纤上，则有用的狭缝长度可能小于12或18毫米。在这种情况下，您必须注意将输入流量集中在入口狭缝的区域上，该区域与出口狭缝的有用区域相匹配。较长的狭缝并不一定有优势，而且会给系统增加杂散光。

总结
选择最有效的光栅
使用最宽的狭缝
使用最长的狭缝
在输出狭缝的有用区域内照亮大部分辐射的输入狭缝
确保光源的长尺寸与狭缝的长尺寸一致。您可能需要将单色仪转到侧面来实现这一点。

辐射元件尺寸
主辐射元件的尺寸对于输入光学器件的选择至关重要。元件尺寸请参见直流电弧灯（电弧灯）和石英卤钨灯（QTH灯）。我们将简要讨论两种极端情况，并用一定篇幅讨论典型的中间情况。

情况I - 辐射面积大
一个大的均匀辐射源可能充满接受锥的底部。(图2）。输入光学器件不会增加通过单色仪的辐射，将单色仪移向或移开辐射区域也不会增加通过单色仪的辐射，只要该区域继续填满锥底即可。为了获得最大的辐射，请使用最大的狭缝。在宽带源和给定带宽的情况下，如果使用77200上18毫米长的狭缝，77200 1/4 m单色仪的通过率可以达到77250的4.2倍。

案例二 - "点光源"（或激光器）
理论上的点光源是不存在的，但是一些非常小的光纤光源、针孔图像和激光光源（或激光诱导辐射）可能近似于点光源。对于近似点源，辐射源的任何放大图像都应小于狭缝宽度。

对于点光源，您需要做的就是使用低F/#光学器件收集尽可能多的光源，并将其聚焦在狭缝开口处，其F/number等于单色仪的F/number。

例如
如果以 F/2 从直径为 6 µm 的单模光纤收集光束，并以 F/10 在狭缝上重新成像，则可放大 5 倍；结果（忽略衍射和透镜像差）是在狭缝上成像约 30 µm。如果狭缝宽度为1.56 mm（使用77700和1200 l/mm光栅的5 nm带通），那么点源近似是有效的。以F/4调焦并不会增加通过单色器的辐射，但由于输入光斑更小，因此分辨率可能会略微提高。

大功率光束的特殊考虑
注意事项
1. 由于光学像差和衍射效应的影响，任何实际图像尺寸都可能比简单计算所预期的要大得多。

2. 2. 如果不填充输入狭缝，则带通不是由色散和狭缝尺寸决定的，而是由输入光斑尺寸和输出狭缝宽度的卷积决定的。

3. 3. 在高F/数下工作会导致光栅填充不足，提高分辨率，但在极端情况下，会损失分辨率（参见光栅物理学）。

4. 使用高功率激光源在高F/数下工作会导致光栅损坏。

情况III - 辐射元件和狭缝尺寸相当
辐射源和狭缝尺寸通常具有可比性。我们的强弧源尺寸从0.25 x 0.25 mm到3.0 x 2.6 mm。紧凑型高亮度卤钨灯丝（参见石英卤钨灯）的尺寸从1.7 x 0.65到6 x 16 mm。77250 1/8 m单色仪上10 nm带通（1200 l/mm光栅）的狭缝尺寸为1.56 x 12 mm。

由非相干（即非激光）辐射聚焦光束引起的荧光区域的尺寸也是毫米。

我们首先假设单色仪、光栅和狭缝都按照之前的建议进行了优化。我们列出两条规则，并对其进行广泛评论，然后给出两个示例。

最有效耦合的两条规则

1. 始终填满单色仪接受锥。

2. 在遵守规则1的同时，让尽可能多的光线通过狭缝。

问题是这两条规则是相互关联的，许多光学系统都可以满足。我们讨论的大部分是双光学系统；一个聚光透镜收集和准直来自辐射源的光，以及一个聚焦透镜。双透镜系统，如图5，简化了设计实施，因为您可以设置准直臂的长度，以适应您的设置。

单透镜系统不能更好地满足我们的两条规则，而且还增加了以下关系的复杂性：

光源-透镜距离和集光
光源-透镜和透镜-狭缝距离和光源放大率
镜头-狭缝距离和聚焦F/#之间的关系
您还需要使用大直径的光学器件，以便从光源进行有效的集光。我们的单色仪照明器具有高效的单一光学解决方案。

Photomax™ 单色仪
PhotoMax™灯罩设计用于规则1和规则2。椭圆形反射镜可以非常有效地收集光线，并将其聚焦在狭缝上。如果您使用低功率弧光灯或其他小体积辐射元件，使用适当的 PhotoMax™ 比使用任何聚光器系统都能获得更多的光进入单色仪。(注意：辐射系统必须小，即间隙小于约1.5 mm的弧光灯。)由于不需要选择光学器件，我们将不详细讨论PhotoMax™系统。

规则1
填满接受锥意味着以正确的 F/编号将光束聚焦在狭缝上，即 77250、77400 和 77700 的 F/4 或 77200 的 F/4.4。在这些F/#下对焦会导致光栅沿垂直和水平直径方向过满，而边角处过满。如果以较低的F/#对焦，光线会因错过光栅而损失，并在单色器内反射为杂散光线。如果以较高的F/#聚焦，则所有光线都会照射到光栅上，但狭缝上的辐射元件图像比需要的要大，从而造成系统效率损失。

请记住，单色仪输入的F/#是镜头焦距除以光束直径。该F/#大于镜头F/#，因为光束通常不会完全充满整个镜头孔径。

规则2
图5显示了一个典型的光学系统。来自灯丝的光由透镜1收集，并由透镜2聚焦到单色器狭缝上。灯丝在狭缝上的放大倍率 m 由 F/数字之比给出。

m = (F2/#)/(F1/#)

由于光束是 "准直 "的，光束直径近似恒定，因此放大率也由焦距之比f2/f1给出。

我们的聚光镜光源可产生直径为33毫米、48毫米和69毫米的光束。更大的光束直径需要更笨重、更昂贵的透镜。额定功率为500W的灯使用33mm光束，额定功率为500W-1kW的灯使用48mm光束。我们的Aspherabs®可以从任何灯管产生69毫米的低像差光束。

确定光束直径后，您就可以固定透镜2。对于33 mm的光束和77200单色仪所需的F/4.5，透镜2应具有至少33 mm的清晰孔径和33 x 4.4 = 145.2 mm的焦距。在简单的透镜形式中，平凸透镜的像差最小，因此任何直径为1.5或2英寸、焦距为150毫米的平凸透镜都可用作透镜2。


图5. 聚光镜和二次聚焦透镜系统。

聚光透镜
基于图 5 的一个简单模型非常有用，它显示了为透镜 1 选择低 F/# 透镜的重要性，并说明了声源的正确方向。

我们假设一个尺寸为 "w x h "的均匀矩形辐射元件。透镜 2 是固定的。为了允许放大，透镜 1 的 F/# 必须为 (F/#2)/m，其中 "m "为辐射元件对狭缝的放大倍数。

有效狭缝尺寸为 "a x b"。这些值由带通和探测器尺寸等约束条件决定。

光源在狭缝平面上的放大图像尺寸为 "mw x mh"。通常该图像大于狭缝尺寸，因此会产生渐晕损失。渐晕损失取决于光源形状、狭缝形状和放大倍数；我们将简单地使用参数 V 来量化这种影响。当源像小于狭缝时，V等于1，表示没有损失。然而，当源像完全充满狭缝时，V为狭缝面积与放大源面积之比。

V = (a x b)/(mw x mh)

进入狭缝的功率正比于

第一项反映了集光如何与1/(F/#1)2成正比。第二项是渐晕损失。

图 6 显示了通过狭缝的相对功率与放大倍率的典型关系图。有三个区域。在非常低的放大倍率下，V = 1，但收集到的功率很小。收集到的功率随着 m2 的增大而增大，进入单色器的功率服从相同的关系。

在放大倍率 m1 时，辐射元件图像的宽度达到狭缝宽度，V 开始随 1/m 减小。在此区域

V* = a/mw

因此，上述幂次关系允许收集的辐射随着 m 的增大而增大。

在m2时，放大的源像充满狭缝高度。当 m>m2 时，V 遵循上一页的完整定义。这种与 m2 的反比关系抵消了 m2 直接增加的收集辐射，因此进入单色器的功率是恒定的，与 (a x b) / (w x h) 成比例。(这些是光源和仪器参数，不受光学器件选择的影响）。

* V的这个表达式来自前面的定义，但在这种情况下，狭缝的有用高度b等于mh。这两项相抵消，得出 V = a/mw。

均匀矩形光源进入狭缝的相对功率随光源在狭缝上的放大倍数变化而变化

图 6. 当光源在狭缝上的放大倍率发生变化时，从均匀矩形光源进入狭缝的相对功率。
图 6 有助于选择聚光透镜。它让您知道需要多大的 F/# 才能达到最佳性能。

F/#2 已被选来填充单色仪的接受锥。聚光镜F/#, F/#1的计算公式为

F/#1 = (F/#2)/m

知道了F/#2，您就可以在放大图上快速标出可用的聚光器。图 7 显示了 6332 50 W QTH 灯在单色器 F/4 下的放大图。

进入1.56 × 12 mm单色仪狭缝的相对功率，50 W QTH灯的F/4聚焦。F/1聚光器优于F/1.5聚光器，但F/0.85聚光器不优于F/1聚光器。

图 7. 6332 50 W QTH灯在F/4聚焦时，进入1.56 × 12 mm单色器狭缝的相对功率。F/1聚光器优于F/1.5，但F/0.85不优于F/1。
哪种灯？
这种透镜收集和重新聚焦方法的理想辐射源是与狭缝形状相同的高辐射元件。辐射元件的尺寸至少应为狭缝尺寸除以 m。

辐射源的选择应基于相关波长的辐射率，以及放大图像在有用狭缝区域内的适合程度。

例如
选择带宽为 2 nm 的可见光光学器件，由 6253 型 150 W 氙灯和 77200 1/4 m 单色仪组成。

最有效的光栅是77233型1200 l/mm光栅，带350 nm炽热波。2 nm带通的单色仪狭缝宽度为0.63 mm。最近的固定狭缝为 0.6 mm (a = 0.6)。假设有效狭缝高度为 12 mm (b = 12)。弧光灯通常垂直安装，因此弧的方向对于通常垂直的单色仪狭缝来说是正确的。电弧的尺寸为 0.5 mm (w) x 2.2 mm (h)。

需要使用 F/4.4 聚焦透镜来满足规则 1 的要求。

使用1.5英寸系列附件时，光束直径为33毫米，因此聚焦镜头焦距应约为150毫米。150 mm。

在选择聚光镜时，如图 6 所示，通过狭缝的相对功率与 m 的关系图显示，F/0.85 的模制非球面聚光镜比 F/1 的效果更好。

因此，光学器件应为

镜头1. 66919研究源中的F/0.85聚光镜。

镜头2. 150毫米焦距玻璃平凸二次聚焦镜头。(型号40570)

请注意，Pyrex® F/0.85 聚光镜在 350 nm 以下的透过率较低。因此，对于紫外光，最好的组合是 66907 光源中的 F/1 聚光镜，150 毫米焦距的熔融石英平凸透镜（型号 41570），以及带 250 nm 光斑的 1200 l/mm 光栅。