生活中,我们会看到一缕阳光从树冠的缝隙、门缝、山涧的缝隙等非常狭窄的缝隙中透射出来,发生衍射现象,产生出奇特的光学效果,这是我们常说的光学缝隙效应。通过研究光学缝隙效应,可以更深入地了解光的波动性质以及光的传播规律。
一、狭 缝
狭缝是一种光学元件、是光谱仪的主要部件之一。狭缝是一条宽度可调、狭窄细长的缝孔。有固定狭缝、单边可调的非对称式狭缝和双边可调的对称狭缝。光辐射经光谱仪色散分光后的每条谱线,都是入射狭缝的像。进入单色器或从单色器出射的辐射能量,均由狭缝宽度调节。现代光谱仪中狭缝与光栅的转动耦合在一起,可自动调节。入射狭缝的作用是为了得到相干性较好的平行光源,出射狭缝是为了引出特定波长的谱线,这些都和光谱仪的分辨率挂钩。摄谱仪仅有入射狭缝,直读光谱分析仪就有入射和出射两个狭缝。
狭缝通常由金属或玻璃制成,其作用是限制光的传播方向和宽度。狭缝的宽度可以通过机械加工或蚀刻等方式进行控制,通常在几微米到几百微米之间。在光学实验和仪器中,狭缝被广泛应用。例如,在光谱仪中,狭缝可以用于选择特定波长的光,以便进行光谱分析。在显微镜中,狭缝可以用于限制光束的宽度,从而提高显微镜的分辨率。
二、狭缝宽度对光谱测量的影响
光谱仪狭缝的宽度对光谱测量有重要影响,主要涉及到分辨率和光强两个方面:☉ 分辨率:狭缝的宽度直接影响光谱仪的分辨率,即其能够区分两个波长相近的光线的能力。通常情况下,狭缝越窄,分辨率越高,能够更准确地分辨不同波长的光线。然而,狭缝过窄也会导致光强损失,因此需要在分辨率和光强之间寻找平衡。
☉ 光强:狭缝的宽度还直接影响光强的传递。窄狭缝会限制通过的光线数量,降低进入光谱仪的光强,从而降低信噪比。相反,较宽的狭缝允许更多的光线通过,提高光强,但可能降低分辨率。
因此,在选择狭缝宽度时,需要考虑实验的具体要求做出权衡选择。如果需要高分辨率来分辨相邻波长,可以选择较窄的狭缝,但会降低通过量;如果更关注光强,可以选择相对较宽的狭缝,但会牺牲光学分辨率。在实际应用中,狭缝宽度通常是根据实验目的、样品性质和光源特性等多个因素进行优化选择的。狭缝尺寸的最佳选择需要权衡上述两个后果,这在很大程度上取决于具体的应用情况。
例如,狭缝尺寸越小,所需的积分时间越长。狭缝尺寸变窄对光谱仪透过率的影响变大。随着狭缝尺寸的减小,测量荧光分子所需的积分时间迅速增加,因为可以通过狭缝的光已经大大减少。当测量速度非常重要时,狭缝的重要性也就凸显出来。
三、可更换狭缝的好处
在光谱仪中,可更换狭缝提供了更多的选择和控制权,使得光谱仪更适应不同实验条件和科研需求。使用可更换狭缝具有一些重要的好处,其中一些包括:- 灵活性:可更换狭缝使得光谱仪更具灵活性,可以根据实验的不同需求选择不同宽度的狭缝。这使得在不同实验条件下能够优化分辨率和光强之间的平衡。
- 适应不同光源:不同的实验可能使用不同的光源,这些光源可能有不同的光强和光谱特性。通过更换狭缝,可以更好地适应不同光源,以获得最佳的光谱性能。
- 定制实验:不同的研究目的可能需要不同的光谱仪配置。可更换狭缝使得用户能够根据实验的具体要求进行定制,以满足特定的研究需求。
- 光谱测量优化:通过选择合适的狭缝,可以优化光谱测量的分辨率和灵敏度。这对于需要高分辨率或高灵敏度的实验尤为重要。
- 降低光强损失:可更换狭缝使得用户能够在分辨率和光强之间取得平衡,以满足实验的具体要求,同时最小化光强损失。
大多数海洋光学光谱仪的可更换狭缝有助于消除设计方面的不足,为用户提供更大的实验灵活性。例如,可以指定窄狭缝,以便在尖峰吸光度测量中获得高分辨率,然后切换到较宽的狭缝,以便在荧光和低光测量中获得高通量。
这是前几代模块化光谱仪的一大进步,原来的光谱仪需要制造商来更换狭缝组件。对于在光通量和光学分辨率之间保持精确平衡至关重要的应用来说,必须返回光谱仪进行调整,非常不方便。可更换狭缝避免了这些麻烦。四、光学分辨率和通过量
可更换光谱仪狭缝为实验室常规吸光度和荧光测量提供了极大的优势。例如,测量氧化铝的吸光度时,具有狭窄、独特的峰值,需要恰当的分辨率才能正确解决,很可能需要25μm或更窄的狭缝。
但是,当实验受到信号强度或采集时间限制时——即需要较短的积分时间——高通过量则成为最重要的考虑因素,而25µm的狭缝不会在所有情况下都能很好地发挥作用。
荧光测量就是这种情况,因为信号可能非常低,特别是在荧光分子浓度较低时。例如,以低浓度使用荧光标记,以实现产品的验证。在此类应用中,如需改进分辨率,较大狭缝的高通过量比较窄狭缝的更有效。
图 2 展示了狭缝尺寸变窄时对光谱仪光通量的影响。对于较小的狭缝尺寸,测量荧光分子所需的积分时间快速增加,因为可通过狭缝的光量大大减少。当测量速度至关重要时,这具有非常切实的优势。
利用海洋光学光谱仪的可更换狭缝,用户只需更换狭缝,即可调节光谱仪的光学分辨率和光通量性能。可更换狭缝为用户提供了光谱仪设计的更多自由度,无需在制造商工厂内对光谱仪进行返工和重新校准。五、如何更换狭缝
具有可互换狭缝功能的光谱仪允许轻松更改光谱仪的分辨率和灵敏度,以优化测量,或在不同类型的测量之间进行更改(例如从吸光度更改为荧光)。
*如果从标准狭缝更改为带滤光片的狭缝,必须重新校准光谱仪,因为滤光片会改变光谱仪的光学焦点和波长校准。在这种情况下,你需要把分光计送回海洋工厂。
*当从较大的狭缝变为较小的狭缝时,必须重新校准。当从较小狭缝更换为较大狭缝时,可选择不重新校准,但是建议始终执行校准,以确认安装新狭缝后波长校准仍然准确。波长校准需要使用到波长校准光源。具体的波长校准请咨询工程师。*多种狭缝选择,孔径狭缝组件尺寸从 5 μm-200 μm 不等。可更换狭缝的光谱仪型号,请咨询我们技术销售。
可用的狭缝包括:
SMA连接器上显示了狭缝尺寸,以便于识别,如图所示。此外,还有一个“S”或“L”的指示,表示狭缝组件中的小孔径或大孔径。借助可更换狭缝,用户可以直接在现场改变光谱仪的性能。更换狭缝只需进行简单的操作,可在数分钟之内完成。步骤如下:
1. 断开光谱仪的电源和 USB 电缆。
2. 找到 SMA 连接器。如果连接有光纤,请将其取下。
3. 记下按键相对于光谱仪工作台的方向。在更换新的狭缝时,键要朝向同一方向。
4. 使用六角扳手卸下将狭缝固定到光谱仪上的 2 个螺丝。
5. 将狭缝从光谱仪中拉出。为了帮助取出狭缝,请拧上光谱仪附带的盖子,然后轻轻地将狭缝从外壳中拉出。
6. 将新狭缝的导向销与开口对齐,然后插入。连接器的键应放在步骤 3 所述的同一侧。
7. 使用六角扳手再次安装 2 个螺钉(不要拧得过紧)。
8. 如有必要,再次连接光纤。
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