作者：包cx 时间：2025-12-23
单色仪的英文是“Monochromator”，该名称来源于希腊语词根“mono-”和“chroma-”，分别指“单一”和“颜色”。单色仪是一种光学装置，将多色光（如阳光或灯光）转换为多个波长范围（单色光），并允许选择有限的波长频段。所需波长波段的光随后被引导到样品、探测器或其他光学系统组件上。
单色仪工作原理的简单说明：
-光源：该设备接收来自光源的光，光源可以是灯、激光或任何其他发光设备。
-准直：入射光线被准直，即通过透镜或镜子使其平行。这一步对于准确选定波长至关重要。
-色散元件：准直光随后通过色散元件，如棱镜或衍射光栅。该元件通过在不同角度弯曲不同波长，将光分离成其组成波长（颜色）。
-选择：使用狭缝选择所需波长。通过调整色散元件的角度，可以引导不同波长的信号通过狭缝。
-输出：选定的波长通过输出缝隙从单色仪中流出，提供近乎单色的光束。
图1：高分辨率单色仪组件示意图及其仅获得绿色入射光的工作原理
单色仪的分辨率是指区分两个相距较近波长的能力。这通常以仪器光谱线剖面的全宽半极大（FWHM）表示。有几个因素会影响单色仪的分辨率：
-狭缝宽度：狭缝能提供更高分辨率，但减少光线通过量。
-色散：描述单色仪在不同波长上展开的效果，更高的色散会提升分辨率。
-光栅或棱镜质量：单色仪中使用的衍射光栅或棱镜的精度和质量也影响分辨率。
-光学元件焦距：较长的焦距提供更好的分辨率。
图2：单色仪峰值强度和FWHM分析
Sciencetech高分辨率单色仪采用非对称Czerny-Turner光学布局，最多可使用3个f/3.5光圈的平面光栅，9055单色仪系列中的9055DA和9055DS。在Czerny-Turner单色仪中，理论上可以通过将光栅的倒数色散乘以狭缝宽度来确定分辨率。
Sciencetech高分辨率单色仪的设计要求：
-多面性：单色仪应能够覆盖多种波长以满足不同需求。
-高透射率：单色仪应在通行带内具有高透射率，以确保高效的光通量。
-强衰减：单色仪必须对所需波长范围外的光进行强烈衰减，以减少噪声并提高精度。
-可调带宽：调节通带带宽的能力适用于各种应用。
-对准无关性：中心波长应与输入光束的方向或对齐无关，以保持一致性。
-紧凑且坚固的设计：确保单色仪既紧凑又坚固，可以提升其可用性和耐用性。
-分辨率与色散：高分辨率和适当的色散对于准确隔离光谱中狭窄部分至关重要。
-机械和热稳定性：这些方面的稳定性确保了长期可靠的性能。
单色仪的分类和应用：
基于所用的衍射元件，单色仪分为两种类型：光栅单色仪和棱镜单色仪。9055单色仪和9057单色仪系列属于光栅单色仪，衍射通过衍射光栅完成，衍射光栅是一个具有众多平行且相同沟槽的平面。例如，紫外线光栅每毫米有300到2000条槽。准直镜发出的光会落在光栅的缝隙上，并分解成不同波长的辐射，这些辐射以不同角度从光栅中射出。通过控制机制调整网格的倾斜角度，使所需长度的光线落在出口缝隙上。
而在棱镜单色仪中，光学棱镜可以将阳光折射成彩虹的颜色。当光线照射到棱镜表面时，它会以相对于棱镜的空气-玻璃界面的角度折射，折射依赖于折射率。此外，折射率还取决于光的波长。这使得入射到棱镜上的白光被分解成不同的波长，对应不同的颜色。控制机制使棱镜发出的期望光线落在单色仪的出口狭缝上。
单色仪被广泛应用于教育、科研和治疗领域的光学设备和仪器中：
-分光光度计：单色仪存在于分光光度计中，这些设备用于实验室的不同用途;例如，在确定不同酶的活性、代谢物质浓度、大分子浓度等方面。单色仪提供特定波长的光，这些光被物质特异性吸收，因此可以通过物质浓度与其吸收光线之间的关系来确定其浓度。为此，基于比尔-朗伯定律构建了一条校准曲线。光的吸收可以用透射率表示，表示当光未被物质吸收时，透光率达到100%。同时，当光不被物质吸收时，透光率会降低。而透射率越低，则表示吸收光。
-荧光光谱仪：该装置有两个单色仪：一个用于激发物质，使其发出荧光；另一种则利用产生的荧光来确定所检测物质的浓度。
-圆形二色性分光光度计：该设备用于研究生物大分子行为，配备了单色仪。圆形二色性被用于蛋白质的二级结构确定、蛋白质构象以及其化学或热变性等多种研究。
-微板读取器：用于确定微板凹面中生化或免疫过程的荧光，因此采用单色仪。称为 ELISA 的技术常用于蛋白质、核酸、酶活性测定以及众多免疫学程序的定量。
单色仪的光学设计配置：
Seya-Namioka
Monochromator：濑谷-浪冈单色仪
Seya-Namioka 配置采用全息光栅和两面球面镜，实现精确的波长选择和聚焦。光线通过入口狭缝进入，并被引导到光栅上，光栅将光线分发成其组成波长。镜子被战略性地放置在罗兰圆内，用于校正散光，并将衍射光聚焦成出口缝隙处的锐利图像。对于入射角=α，衍射角为ß的Seya-Namioka单色仪，光栅中入射光束与衍射束之间的夹角为α+ß=Φ。
图3：带标签角度的Seya-Namioka单色仪
光栅方程为：mλ = d[sin(α)- sin(β)] ，其中m=衍射阶，d=光栅槽间的间距，Θ=相对于中心单色仪轴的光栅角，α=相对于光栅法线的入射角，β=相对于光栅法线的衍射角度。该方程可以重写为：mλ=2dcos(Φ/2)sin(Θ+Θo) ，其中α+ß=Φ，Θ=光栅角。为了使镜面反射（零阶衍射）在所需位置退出，光栅必须呈Θo的角度。在对称单色仪中，Φ =2A，Θo= 0。
Czerny-Turner
Monochromator：切尔尼-特纳单色仪，Sciencetech光栅单色仪结构的参考
切尔尼-特纳单色仪的构型是一种光学设计，结合了球面镜和衍射光栅，以有效分散和聚焦光线。Sciencetech高分辨率单色仪采用非对称Czerny-Turner光学布局。光线通过侧门狭缝进入，并被平面入口折叠镜以45度角引导至入口球面镜。该镜面使光准直，使光束平行，并引导光束到一个绕射光栅。光栅将准直光分散到其组成波长。根据光栅的角度，所需波长的准直光束会被反射到出口球面镜中。该镜通过另一面45度平面折叠镜将光线聚焦通过出口缝隙。只有特定带宽内的波长通过出口狭缝，提供所需的单色光。
对于一个切尔尼-特纳单色仪，其入射角=2α，出射角=2β，光栅中入射光束与衍射光束之间的夹角为2α+ 2β=2Φ。
图4：带标签角度的Czerny-Turner 单色仪
光栅方程为：mλ=d[sin(2α+Θ)-sin(2β-Θ )] ，也可重写为：mλ=2dcos(Φ)sin(Θ+Θo)，其中Φ=α+β，Θo=α-β。为了使镜面反射（零阶衍射）在所需位置结束，光栅必须呈Θo的角度。在对称单色仪中，Φ=2α，Θo=0。对于非对称单色仪Sciencetech光栅单色仪Θ≠0。
Echelle
Monochromator：埃谢尔单色仪
Echelle单色仪是一种由两个色散元件组成的单色仪：通常是棱镜和一个衍射光栅，称为埃谢尔光栅。棱镜与埃谢尔光栅配合使用，将光线分散到其组成波长中。这种组合实现了波长的分离和精确选择。当光线以高入射角照射到艾谢尔光栅时，会根据波长和衍射阶数以不同角度被衍射。埃谢尔单色仪利用这些高阶衍射实现极高的光谱分辨率。它在需要高分辨率和色散的应用中尤为有用，如发射光谱学。
图5：Echelle单色仪的光学布局
Fastie-Ebert
Monochromator：法斯蒂-埃伯特单色仪
法斯蒂-埃伯特单色仪具有大型球面镜和平面衍射光栅。在这种装置中，球面镜的一部分在光到达平面光栅之前对入射光进行了准直。光栅随后将光线分散到其组成波长中。该球面镜随后聚焦这些色散光，所需波长带内的光被引导到探测器或出口狭缝。这种布置确保了高光谱分辨率和精确的波长分离，非常适合进行详细的光谱测量，但由于系统像差，在保持图像质量方面存在一定限制。
图5：Fastie-Ebert单色仪的光学布局
Sciencetech光栅单色仪的配置类型：
Sciencetech光栅单色仪主要分为双减法（DS）和双加法（DA）两种配置，即9055单色仪系列中的9055DA和9055DS。在双减法（DS）单色仪配置中，两个单色仪以减法模式背靠背排列，意味着第二个单色仪的色散方向与第一个单色仪相反。该装置中的光栅同步旋转，但方向相反。该设计显著减少了杂射光，尤其是在使用凹面全息光栅时，使DS配置非常适合对散射光敏感的应用，如光谱辐射测量、拉曼光谱和太阳辐射的紫外线测量。DS单色仪既可以作为可调带通滤光片，也可以作为可调陷波片使用。此外，它可以通过自定义中间多缝遮罩而非单宽中间狭缝，通过或滤除多个选定波长。
双加法（DA）单色器配置由两个单色仪背靠背排列成瘾模式组成，第二个单色仪的色散量与第一个单色仪相加。在这种设置中，光栅会同步朝同一方向旋转。入射光首先被初始光栅分散，穿过一个中间狭缝（该狭缝拒绝了杂散光），然后再次被第二个光栅光栅光谱色散。这种双色散使得光学分辨率相较单色仪更好，尽管通带宽被降低到单色仪的一半。
排序滤光片：
排序滤光片是光学系统中，特别是在单色仪等衍射设备中的重要组件，用于管理和消除高阶衍射的不想要的反射。当光线通过衍射光栅时，可以产生多个衍射束，对应不同的衍射阶级（例如，第一、第二、第三等）。这些高阶束流可能干扰期望输出，导致测量和光谱分析的不准确性。滤光片通过阻挡这些更高阶衍射阶（如二阶和三阶）到达探测器来工作。它们通常由吸水玻璃制成，能够选择性过滤去除不需要的谐波阶数，同时允许所需的波长通过。通过将这些滤光片纳入光路，尤其是在光线到达探测器之前，系统可以保持所选波长的纯度，确保更准确、更可靠的光谱测量。
