普林斯顿 PI光谱仪光栅角度调节、光谱校准

　　光谱仪原理

　　光谱仪是一个分光仪器，就像雨后的水珠把阳光分成7色形成彩虹一样，光谱仪就是把复色光色散后形成多色的，只不过这种分散程度厉害而已。彩虹是由角锥型雨滴来色散的，而光谱仪是由光栅来色散的;水滴是粗糙的，光栅是人造的、精密的，分光能力就更强了。光栅的分光能力是由什么决定的呢?就是由光栅的线对这一参数决定的，也就是1mm有多少条刻线，用单位g/mm表示。刻线越密，光分开的角度越大，也就是色散本领越强。

　　常见的刻线有300,600,1200,1800这些参数。刻线越密，光分开的角度越大，那么同样CCD接收到的波段就窄，也就是测量范围就窄。光栅刻线越稀疏，光分开的角度小，CCD接收的波段就宽。用什么参数的光栅，这就需要根据实际需求来定了。现在很多光谱仪都有光栅塔轮，可以装多块光栅，这样就可以安置不同参数的光栅，照顾到多种应用场景。咱们今天这台FERGIE是只有一块光栅的。分辨率和波段不可兼得。

　　光栅的另一个重要参数就是闪耀波长。闪耀波长就是衍射效率最大的波长。这一参数也会标注到光栅上。

　　在测试光谱时，用的光栅的一阶衍射，而在调节聚焦时，用的0阶衍射。0阶衍射就相当于一块反射镜，并没有分光。

　　狭缝

　　光谱仪入口处都有一狭缝，如上图。狭缝越小，光谱仪分辨率越高，但光通量越小，灵敏度越小。灵敏度和分辨率不可简单。这种矛盾很常见，比如功率计的探头就是分辨率和量程不可兼得，分辨率高、灵敏度高的探头，量程肯定小。

　　光经过狭缝后的分散光，经过准直镜后，打到光栅上，随后色散的光又聚焦到CCD上。我们今天题目中的聚焦，就是调的分光后的聚焦，使分光后的单色光焦点落在CCD上，这样才能最高分辨率地测定波长。调节聚焦，实际上就是调节的相机或狭缝的前后移动，使相机到单色光的焦平面上。CCD上的点实际上和狭缝处是共轭点。

　　CCD

　　CCD或CMOS都是成像用的，把单色光的光信号转换成电信号。这里面的参数就包括波段、暗噪声、像素大小、尺寸、满井容量等。

　　波段是由半导体材料决定的，常见的是Si探测器，200-1100nm。InGaAs是探测红外波段，800-1700nm。暗噪声受温度影响大，温度越低，暗噪声越低，科学级相机能制冷到-70度。像素尺寸一般在几微米-十几微米，一个光谱想被判断到，至少要占几个像素。

　　聚焦调节

　　在狭缝附近，有一个调节旋钮，可以调节聚焦。标准是什么呢?就是看着0级衍射或1级衍射的条纹，把条纹调节到最细。0级衍射是一条直线，并没有色散，应该把这条线调到CCD的中央，这部分内容属于校准光栅的内容。

　　零阶角度校准

　　把光栅调整到零阶时，所有光都没有色散，此时如果是一条细狭缝，自然光成的像是一条细线，前提是聚焦要调好。这是反映了，在沿着光线这个方向的维度，就是上一节的聚焦调节。

　　而在另一个维度，就是反射角度上，也应该把聚焦细线调到CCD中间，这可以通过offset来补偿。如下图，就是0阶成像没在CCD中央。

　　PI的grating and offset功能藏的挺深，在菜单页中。选中offset功能后，出现下图提示，点击measure，就会计算出当前位置和中心位置的差值。把新计算的差值应用于当前，就校准好了，零级条纹就居中了。

　　零级角度校准后，如下图，在0阶会显示，条纹线在0nm，居中的。

　　至此，零级角度校准就完成了。接下来就是光谱校准了。

　　光谱校准

　　光谱校准，就是在不同中心波长设置下，测试的准确，这个准确与否是与谁相比呢，其实是有个基准。就像是称重的称一样，你说你的准，我说我的准，到底谁的准呢，这就需要有个标准，大家都去参考这个标准。那么，原子光谱就是各个光谱仪要参照的标准，因为原子跃迁发射的谱线是确定的。PI光谱校准时，就是参照原子光源光谱，比如汞灯或者氖灯、氖氩灯。

　　PI光谱仪校准还是挺智能的，还真对得起他这个名字，intelical，其中前半部分是inteligent缩写，后半部分是calibration缩写。如果用PI的汞灯，直接把光源放在狭缝处，点击intelical就自动去计算实测光谱和内部存储的光谱数据的误差。应用此误差，就校准好了。步骤如下图。

　　Intellical校准

　　校准光谱