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中階梯光柵光譜儀是什么？

許多實際的光譜應用都希望在非常寬的波長范圍內獲得高分辨率光譜。光譜測量的保真度隨著分辨率的增加而增加，直到光譜特征被完全分辨，不僅要在光譜線和背景之間產生最高的對比度，同時，也要記錄全光譜提供了源特性的完整圖像。

然而，以高分辨率記錄寬帶光譜需要許多獨立的光電探測器，不過半導體芯片中像素元件應運而生。例如，在500 nm波長的分辨率為R= 50,000時，單個分辨率元件只能捕獲λ/R=10pm的波長范圍。采樣理論表明，至少需要兩個像素來正確采樣一個分辨率元素，所以探測器的每個像素只覆蓋5pm的光譜。一個2000像素寬的探測器在如此高的分辨率下只能記錄5nm的波長范圍。要記錄從400nm到1000nm的光譜，需要一個長度幾十萬像素、物理尺寸為米的探測器，以及配套的光學元件。

將高分辨率光譜的格式與以近似正方形格式提供所需像素數的區域探測器相匹配的一個優雅的解決方案是使用階梯光柵。與普通衍射光柵不同的是，普通衍射光柵在衍射1階中產生單一的線性光譜，這些光柵利用了波長和光柵衍射階的乘積是恒定的——1階的1000 nm與2階的500 nm在同一方向上衍射。在非常高階~100階使用梯級光柵，提供高分辨率但重疊的光譜。使用同樣的例子，100階的500nm與99階的505 nm在相同的方向上衍射。階數每5nm重疊一次，這稱為光柵的自由光譜范圍(FSR)。

如上所述，5nm的光譜可以用現成的2000像素寬的CMOS或CCD檢測器方便地記錄，分辨率為50,000。問題仍然是檢測器不能區分重疊的順序。這是通過使用第二個色散元件，棱鏡或低分辨率光柵來解決的，它垂直于中階梯光柵，并在探測器上扇形展開，因此它們位于彼此上方的跡線中。這有效地將源光譜轉換為探測器上的連續光譜跡線堆棧，每個跡線覆蓋的光譜范圍很短，分辨率很高。這使得在一次拍攝中記錄寬帶高分辨率光譜成為可能，這就是為什么階梯光柵長期以來一直是天文觀測中首選的工具。

需要專門的分析軟件來解開堆疊的光譜序列，并將它們合并成一個覆蓋全范圍的校準光譜。這需要精確的波長校準——將每個像素的位置與唯一的波長相匹配，并仔細的通量校準以消除由光學器件和探測器的波長相關效率引起的每個階的強度變化，特別是光柵在每個階上印下的強度剖面(所謂的火焰剖面)。

下面的動畫演示了將單個光譜轉換成短而連續的光譜序列堆疊在一起的原理，形成一個階梯狀的光譜格式，可以用提供高像素計數的面探測器記錄。

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超緊湊中階梯光柵光譜儀RS10K的應用

下面的光譜展示了RS10k中階梯光柵光譜儀在不同應用中的性能。每個光譜都是在一次拍攝中獲得的，覆蓋450- 1030nm范圍內的數據。請注意，某些光譜已被限制在其范圍內，以更詳細地顯示特別有趣的特征。

等離子體光譜

RS10K中階梯光柵光譜儀可以看到指紋光譜，實時揭示化學和表面科學正在發生什么。我們很高興能在ARC量子計算和通信技術卓越中心(UNSW悉尼)的一些測試中證明這一點，他們用O2/SF6等離子體或CF4/CHF3/Ar等離子體對量子計算機的少量硅進行反應離子蝕刻。

光源表征

RS10k可以實時顯示二極管激光器的縱向模式。下圖顯示了中心峰波長為650±20 nm的二極管激光器的高分辨率發射光譜。

釷氬(Th-Ar)通常用于校準天文臺的高分辨率階梯光柵光譜儀。釷在紫外、可見光和近紅外波段發射出狹窄的光譜線，可以作為精確的參考。光譜中也有亮幾個數量級的氬譜線。

物理實驗室教學工具

原子軌道可以用表示總角動量的量子數Mj來標記。在蒸汽室中，被激發的原子從較高的狀態弛豫到較低的狀態時發出共振光，并且只有當自旋數Mj相差1或更小時才允許光學躍遷。Mj變化為-1的躍遷產生sigma(-)圓偏振光，Mj變化為+1的躍遷產生sigma(+)圓偏振光。在外磁場中自旋能級的塞曼分裂可以用光譜測量，并且通過使用極化來獨立分離sigma(-)和sigma(+)躍遷變得更容易。同時記錄了鎘的4種不同原子躍遷的塞曼分裂，并證明了它們具有不同的自旋-軌道耦合。

天體光子學

太陽光譜是豐富而復雜的，結合了連續光譜和許多吸收線。對這些特征的分析提供了有關太陽成分、溫度和活動的寶貴信息，有助于我們對太陽和恒星物理的理解。下面的圖顯示了350 nm寬的太陽光譜，其中有顯著特征(例如鈉重態和h - α)。當單模光纖指向太陽時，捕獲了光譜。

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高分辨率中階梯光柵光譜儀RS40K的應用

下圖展示了RS40k中階梯光柵光譜儀的性能。每個光譜都是在一次拍攝中獲得的，包含430-950 nm的數據。某些光譜被限制在其范圍內，以更詳細地顯示特別有趣的特征。

光源表征

二極管激光器發射的光束通常具有很小的波長范圍，稱為激光線寬。這是由于在激光二極管的諧振腔內同時發生多種不同模式的振蕩。這些可以包括縱向和橫向模式，導致多模激光二極管。下圖顯示了一種廉價光纖故障檢測器的光譜，其中心峰波長為650±20 nm。

汞在紫外和可見光區域有幾條顯著的光譜線，包括546.07 nm、435.83 nm和579.07 nm的光譜線。這些譜線表現出部分可見的超精細結構，在峰的底部表現為駝峰。這些特征的光譜寬度受水銀燈內壓力的影響。在R=50,000左右的分辨率下，這些特征變得清晰可辨。

當高壓加在氖氣管上時，氖氣被激發并發光，產生不同的光譜。霓虹光譜由紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍和紫色的明亮發光線組成。這些顏色對應于氖氣發出的特定波長的光。氖光譜中最突出的顏色是深紅橙色。

天體光子學

下圖顯示了656.28 nm處h - α線周圍太陽光譜的一小部分(一個階梯形)。當單模光纖對準太陽時，獲得了太陽光譜。太陽光譜包括數千條吸收線，這些吸收線是由太陽大氣中不同元素的存在引起的，可以用來研究太陽的成分和溫度。