單色儀是一種光譜儀，它一次將單個波長或波段成像到出射狹縫上;通過入射和/或出射光學器件(通常是狹縫)相對于光柵的相對運動來掃描光譜。

平面光柵是指表面平坦的光柵。平面光柵通常用于準直入射光，該入射光被波長分散但不聚焦。平面光柵通常需要輔助光學器件，如透鏡或反射鏡，以收集和聚焦能量。一些簡化的平面光柵用會聚光照射光柵，盡管系統的焦點特性將取決于波長。為了簡單起見，下面只討論平面反射光柵，盡管每個光柵具有透射光柵性質。

Czerny Turner單色儀

圖6-1 Czerny-Turner 結構，平面光柵提供色散，凹面鏡提供聚焦。

這種設計包括一個由準直光照射的經典平面光柵。入射光通常從光源或狹縫發(fā)散，并由凹面鏡(準直器)準直，衍射光由第二凹面鏡(相機)聚焦;見圖6-1。理想情況下，由于光柵是平面的和經典的，并且用于準直入射光，因此不應將像差引入衍射波前。在實踐中，由于經常使用球面鏡，像差是由其離軸造成的。

像所有單色儀結構一樣，波長是單獨成像的。通過旋轉光柵來掃描光譜;這使光柵法線相對于入射光束和衍射光束移動，從而改變向第二反射鏡衍射的波長。由于入射到光柵上并由光柵衍射的光是準直的，對于每個波長，光譜在出射狹縫處保持聚焦，因為只有光柵可以引入波長相關的聚焦特性。

由輔助反射鏡引起的像差包括像散和球面像差(每一個都由反射鏡相加貢獻);與所有凹面鏡幾何形狀一樣，像散隨著反射角的增加而增加。彗星差雖然普遍存在，但可以通過適當選擇反射鏡的反射角在一個波長下消除;由于光柵的畸變(波長相關)切向放大率，其他波長的圖像會經歷更高階的彗差(這只在特殊系統中會變得麻煩)。

Ebert單色儀

圖6-2 Ebert 結構，一個凹面鏡取代了Czerny-Turner結構上的兩個凹面鏡。

這種設計是Czerny Turner結構的一種特殊情況，其中一個相對較大的凹面鏡同時用作準直器和成像鏡(圖6-2)。它的使用是受限的，因為雜散光和像差很難控制——后一種效果是由于設計中相對較少的自由度(與Czerny Turner單色儀相比)。這可以通過認識到Ebert單色儀是Czerny Turner單色儀的一種特殊情況來看出，其中兩個凹面鏡半徑相同，并且它們的曲率中心重合。然而，Ebert結構提供的優(yōu)點是避免了兩個反射鏡的相對錯位。

Fastie改進了Ebert的設計，用彎曲的狹縫取代了直的入口和出口狹縫，從而獲得了更高的光譜分辨率。

Monk Gillieson單色儀

圖6-3 Monk-Gillieson結構，平面光柵用于聚光。

在該結構中(見圖6-3)，平面光柵被匯聚光照亮。通常，從入射狹縫(或光纖)發(fā)散的光通過凹面鏡的離軸反射而會聚(這會引入像差，因此入射到光柵上的光不是由完美的球面會聚波前組成的)。光柵對光線進行衍射，光線向出射狹縫會聚;通過旋轉光柵使不同波長聚焦在出射狹縫處或附近來掃描光譜。反射角(來自主鏡)、入射角和衍射角通常很小(從適當的表面法線測量)，這將像差(尤其是離軸像散)保持在最低限度。

由于入射光沒有被準直，光柵將波長相關像差引入衍射波前。因此，當光柵旋轉時，光譜不能在固定的出射狹縫處保持聚焦(除非該旋轉是圍繞從光柵的中心凹槽移位的軸進行的)。對于低分辨率應用，Monk Gillieson結構受到一定程度的歡迎，因為它代表了可以想象的最簡單、最便宜的光譜系統。

Littrow單色儀

圖6-4 Littrow單色儀結構，入口狹縫和出口狹縫分別略高于和略低于色散平面;為了清楚說明，它們被示出為分開的。

Littrow或自準直配置中使用的光柵將波長為λ的光沿入射光方向衍射回來(圖6-4)。在Littrow單色儀中，通過旋轉光柵來掃描光譜;這重新定向了光柵法線，因此入射角α和衍射角β發(fā)生變化(即使對于所有λ，α=β)。相同的輔助光學器件既可以用作準直器也可以用作成像鏡，因為衍射光線會回掃入射光線。通常，入口狹縫和出口狹縫(或圖像平面)將沿著平行于凹槽的方向稍微偏移，使得它們不重合;這通常會引入平面外像差。True Littrow單色儀在激光調諧應用中非常流行。

雙色和三色單色儀

圖6-5 雙單色儀結構，顯示了兩個單色儀之間的中間狹縫。

兩個串聯使用的單色器結構形成一個雙單色器。第一個單色儀的出射狹縫通常用作第二個單色器的入射狹縫(見圖6-5)，盡管有些系統的設計沒有中間狹縫。帶中間狹縫的雙單色儀中的雜散光比單單色儀低得多：它大約是每個單色儀的雜散光強度與母線強度之比的乘積。

雙單色儀可以被設計為具有相加色散或相減色散。

在加性色散的情況下，整個系統的倒數線性色散是每個單色器倒數線性色散的總和：即，被第一單色器散射的光譜在通過第二單色器時進一步散射。

在相減色散的情況下，整個系統被設計為使得在第二單色儀的出射狹縫處的光譜色散基本上為零。減法色散單色儀的特性是，離開其出射狹縫的光在光譜上是均勻的：所有波長的均勻組合都透射通過中間狹縫，而不是像在單單色儀和加法色散雙單色儀中看到的那樣，具有連續(xù)變化波長的光譜。這種儀器已被用于拉曼光譜系統(其中可以觀察到非常接近激發(fā)激光波長的光譜特征)以及熒光和發(fā)光激發(fā)。

三單色儀結構由三個串聯單色儀組成。當減少儀器雜散光的要求非?？量虝r，使用這些結構。

恒定掃描單色儀

絕大多數單色儀結構都是恒定偏差的：光柵旋轉，使不同波長的光在(靜止的)出射狹縫處聚焦。這種結構的實際優(yōu)點是需要一個單獨的旋轉臺，不需要其他移動部件，但它的缺點是只在一個波長下“閃耀”——在其他波長下，入射角和衍射角不滿足閃耀條件：

mλ = d(sinα + sinβ) = 2dsinθB

其中θB是刻面角。

可以考慮的另一種設計是恒定掃描單色儀，之所以這么稱，是因為在光柵方程中：

mλ=2d cosK sinΦ

保持固定的是掃描角度Φ而不是半偏轉角K。在這種結構中，當掃描波長時，入口和出口臂的平分線必須與光柵法線保持恒定角度;兩臂之間的角度2K(λ) = α(λ) - β(λ)必須擴展和收縮才能改變波長。

審核編輯 黃宇