Ultra High Resolution Spectroscopy Solution-By Using Double-Pass Monchromator
Double-Pass 超高分辨率光譜解決方案
光譜分辨率是任何一個(gè)光譜測(cè)試系統(tǒng)都不可回避的重要參數(shù)之一！ 對(duì)大多數(shù)的光譜測(cè)試系統(tǒng)，都對(duì)光譜分辨率有一定的要求，比如，熒光光譜，拉曼光譜，原子分子光譜，等離子體光譜等等，通常而言<0.1nm 的光譜分辨率可以滿足大多數(shù)的應(yīng)用需求。 但實(shí)際上，在一些極端的研究精細(xì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)中，往往希望獲得極高的光譜分辨率，比如原子殼層精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究，高分辨多波長(zhǎng)拉曼光譜測(cè)試，激光誘導(dǎo)同位素的等離子體的高分辨率原子光譜，太陽(yáng)和恒星活動(dòng)中的特定光譜線檢測(cè)，SOLIS(長(zhǎng)期觀測(cè)太陽(yáng)的天氣光學(xué))等等，都可能需要極高的，比如<10pm,甚至<1pm 的光譜分辨率.
對(duì)于傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)典C-T 式光譜儀來(lái)說(shuō)，實(shí)際上，分辨率依賴于光柵的分辨本領(lǐng)、系統(tǒng)的有效焦長(zhǎng)、設(shè)定的狹縫寬度、系統(tǒng)的光學(xué)像差以及其 它參數(shù)。
R∝ M·F/W
M-光柵線數(shù) F-譜儀焦距 W-狹縫寬度
在相同測(cè)試條件下（狹縫不變），提升光譜分辨率的方法通常有兩個(gè)：一是延長(zhǎng)光譜儀的焦距，同等情況下，光譜儀的焦距越長(zhǎng)，分辨率越高！ 但這樣就意味著光譜儀的尺寸變得越來(lái)越大，光路調(diào)校變得越來(lái)越困難！ 另一個(gè)有效途徑是利用高刻畫線的衍射光柵，，比如同等情況下，2400g/mm 的光柵分辨率相比1200g/mm 的光柵可以提升大約1倍； 但同樣由于刻畫光柵衍射角度的關(guān)系，高刻線光柵的波長(zhǎng)使用范圍也同樣會(huì)急劇縮小，比如，1200g/mm 的光柵最大波長(zhǎng)使用范圍到1200nm, 而2400g/mm 的光柵最大波長(zhǎng)使用范圍則只能到600nm, 也就是說(shuō)通常高刻線光柵都只適用于紫外波長(zhǎng)范圍的高分辨率光譜測(cè)試， 對(duì)于可見(jiàn)光（VIS）以及延伸的紅外 NIR 波段，要想獲得高分辨率的光譜，提高光譜儀的焦距幾乎變成了可行的一種方案！
與常規(guī)C-T式光譜儀焦距從150mm,到750mm 焦距不同，McPherson可以提供三款長(zhǎng)焦距的高分辨率光譜儀，分別是1000mm,1330mm,2000mm 焦距的光譜儀，分辨率可以從0.02nm提升到0.005nm（@1200 g/mm光柵）
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型號(hào)
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2061
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209
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2062
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光學(xué)設(shè)計(jì)
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對(duì)稱C-T式
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對(duì)稱C-T式
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對(duì)稱C-T式
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焦長(zhǎng)
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1000mm
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1334mm
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2000mm
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光譜分辨率
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0.02nm
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0.01nm
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0.005nm
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線色散
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0.83nm/mm
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0.62nm/mm
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0.42nm/mm
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校正精度
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0.05nm
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0.05nm
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0.05nm
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光譜重復(fù)性
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0.005nm
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0.005nm
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0.005nm
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焦平面
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50mm
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50mm
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50mm
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通光孔徑
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f/7(f/8.6)
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f/9.4(f/11.6)
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f/14.1(f/17.4)
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光柵尺寸
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120x140(110x110mm)
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120x140(110x110mm)
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120x140(110x110mm)
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主要應(yīng)用
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輻射鑒定，拉曼光譜，材料科學(xué)
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輻射鑒定，超精細(xì)結(jié)構(gòu)，斯托克斯頻移，塞曼分裂
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輻射鑒定，超精細(xì)結(jié)構(gòu)，斯托克斯頻移，塞曼分裂
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如果在此基礎(chǔ)上，希望獲得更高的光譜分辨率，還有其他的有效方式嗎？
特有的Double Pass設(shè)計(jì)光譜儀
在McPherson公司的光譜儀系列產(chǎn)品中，Double Pass設(shè)計(jì)光譜儀顯得尤為特別。Double Pass技術(shù)利用反射鏡不同的反射點(diǎn)在同一個(gè)光譜儀中衍射兩次，從而使得光譜分辨率提高一倍即相當(dāng)于光譜儀焦長(zhǎng)增加一倍的同時(shí)，保持f數(shù)也就是通光量不變。 McPherson所有的上面提到的長(zhǎng)焦光譜儀都可以采用此類設(shè)計(jì)！
可以想象，當(dāng)您用1臺(tái)1米焦長(zhǎng)的光譜儀，同等情況下卻獲得了2米長(zhǎng)焦距譜儀的分辨率， 卻沒(méi)有損失通光量！
Double Pass 光路結(jié)構(gòu)： 1.入射狹縫；2. 出射狹縫； 3. 準(zhǔn)直反射鏡； 4. 聚焦反射鏡； 5. 光柵； 6. Double Pass反射鏡; 7. Double Pass 反射鏡； 8.中央孔徑狹縫
經(jīng)典的實(shí)例應(yīng)用： 在美國(guó) SOLIS（太陽(yáng)長(zhǎng)期光學(xué)觀測(cè)）項(xiàng)目中，為了獲得超高光譜分辨率， 使用的就是一個(gè)2米焦長(zhǎng)的Double Pass 光路設(shè)計(jì)的系統(tǒng) Model 2062DP 光譜儀， 已經(jīng)使用超過(guò)15年，目前仍在每天更新觀測(cè)的太陽(yáng)光譜數(shù)據(jù)！ https://solis.nso.edu/0/info/solis_gallery.html (如下圖)
Model 2062DP 是目前商業(yè)化的高分辨率衍射光柵光譜儀，這款焦距2m的C-T 式光譜儀，可以按照最大220mm寬度的大塊光柵，光柵旋轉(zhuǎn)角度可以超過(guò)70度，以允許按照Double Pass光路， 這種DP 結(jié)構(gòu)可以將光譜分辨率提升1倍，同時(shí)保持?jǐn)?shù)值孔徑或F/no 不變.
下表即為2062DP 光譜儀在安裝了316L/mm 的中階梯光柵，并工作在第10階次光譜，旋轉(zhuǎn)71.69度，中心波長(zhǎng)為600nm時(shí)的性能對(duì)比：
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有效狹縫寬度(mm)
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單通SP
分辨率(nm)
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單道SP
分辨能力
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雙通(DP)
分辨率(nm)
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雙通DP
分辨能力
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簡(jiǎn)單幾何狹縫寬度
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0.010
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0.0004
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1,445 ,054
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0.0002
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2,890,107
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衍射 (220 -毫米光柵)
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0.027
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0.0011
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528,072
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0.0006
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1,056,146
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Aberration像差(單通)
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0.033
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0.0014
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439,698
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~
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~
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Aberration像差(雙通)
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0.038
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~
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~
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0.0008
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753,325
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如果您想在紫外可見(jiàn)近紅外及紅外全波段范圍內(nèi)，獲得極限或超高分辨率的光譜， Double Pass 雙通超高分辨率光譜儀無(wú)疑會(huì)成為您滿意的選擇！
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