一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构制造技术

本发明专利技术属于光谱仪分光系统领域，涉及一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，该分光光路结构按光束的传播轨迹顺序包括：入射狭缝、用于准直入射光的准直反射镜、棱镜、用于实现高阶色散的中阶梯光栅、用于聚焦各波长平行光束的成像反射镜和用于接收光谱图像信号的面阵探测器；棱镜用于实现光束的交叉色散如下：光束从棱镜的同一侧入射和出射实现双次色散。本发明专利技术中阶梯光栅多个衍射级次的交叉色散通过同一棱镜双次色散实现，较之棱镜单次色散或棱镜反射，相同通光口径下光路在宽度上得以压缩；同时，在达到相同色散效果时，棱镜的厚度和楔角大大减小，可减少材料对光的吸收，提高系统的测试灵敏度；测试的短波下限可达165nm。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构
本专利技术属于光谱仪分光系统领域，涉及一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构。
技术介绍
电感耦合等离子体光谱仪(ICP光谱仪)利用原子发射特征谱线所提供的信息进行元素分析，具有多元素同时、快速、直接测定的优点，在冶金、石油化工、机械制造、地质矿冶等工业生产中发挥着巨大作用，是材料领域中应用最为广泛的元素分析方法之一。随着ICP光谱仪广泛应用于冶金、地矿、环保等传统行业并逐步扩展到快检、在线监测领域，应用需求的日益多样化，测样量需求巨大、被测元素种类多样、成份含量各有差异，且大量适合分析的灵敏线存在于紫外波段，要求测试仪器的研发不断追求兼顾紫外到可见更宽的光谱范围、更高的光谱分辨率、更优的灵敏度及检出限；同时，分析仪器必须趋向于小型化、模块化、易集成。以中阶梯光栅为核心分光器件的ICP光谱仪，具有波段范围宽、分辨率高、灵敏度高、全谱瞬态测量、检出限低等优点，可实现多元素快速同时测量，较传统的扫描单色仪及多道光谱仪具有谱段更宽、体积更小、分析速更快度、性能更稳定等优势，已成为原子发射光谱仪的主流发展趋势。作为光谱仪器的核心部件，分光光路结构不仅决定了仪器的分析性能，也在很大程度上限制着仪器体积。中阶梯光栅通常工作在Littrow结构中，与棱镜或平面光栅组成交叉色散分光光路，结合面阵探测器得到高色散、宽谱段、全波闪耀的完整光谱。这种结构要求光栅的衍射角与入射角相等，且接近光栅的闪耀角，同时，考虑实际光路放置的空间，入射光线和出射光线在垂直法线面方向上需要设置适当的偏离角度。进行交叉色散的元件为棱镜或光栅，可采用透射或反射方式，其色散程度较中阶梯光栅低，用于将中阶梯光栅的多个衍射级次在垂直其色散的方向相互分开。因此，需要通过合理设计光路、选择合适的关键元器件，实现仪器的最优分光性能和体积小型化。鉴于ICP光谱仪通常应用于紫外到可见波段的较宽连续光谱范围内，光栅分光存在不可避免的光谱重叠，ICP光谱仪用中阶梯光栅交叉色散分光系统均采用棱镜作为低色散元件。图1、图2和图3分别是ICP光谱仪常采用的几种分光结构，中阶梯光栅与棱镜通过不同的组合方式，实现对整个谱段的分光，辅以入射狭缝、准直、聚焦元件，在面阵探测器上得到全谱段的无重叠光谱图像。直观比较可知，相同焦距和通光孔径下，相较于透射模式，棱镜采用反射式工作模式(如图1所示)会增大系统的光程，同时由于增加一次折转，大大增加光路的宽度。而即使棱镜透射使用，无论采用预色散(如图2所示)或后色散(如图3所示)，准直光束和色散光束均具有一定宽度且彼此分离，占用较大空间，导致体积无法进一步压缩。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种适用于紫外到可见波段、相同焦距和口径下体积更为压缩的应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，保证紫外到可见波段分光性能的同时、进一步缩小仪器体积。为了实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：本专利技术提供一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，该分光光路结构按光束的传播轨迹顺序包括：入射狭缝1、用于准直入射光的准直反射镜2、棱镜3、用于实现高阶色散的中阶梯光栅4、用于聚焦各波长平行光束的成像反射镜5和用于接收光谱图像信号的面阵探测器6；其中，所述棱镜3用于实现光束的交叉色散如下：光束从棱镜3的同一侧入射和出射实现双次色散。中阶梯光栅4的多个衍射级次的分离均通过同一棱镜在垂直光栅衍射的方向上完成双次色散。各部件分别通过定位底座安装在同一封闭腔体内，以保持相对空间位置不变如下：所述入射狭缝1和准直反射镜2设置在系统光轴方向上，入射狭缝1与准直反射镜2的间隔距离等于准直反射镜2的焦距；所述棱镜3和中阶梯光栅4依次设置在准直反射镜2的离轴反射方向上，保持中阶梯光栅4的入射角与闪耀角一致；所述成像反射镜5设置在棱镜3的分光方向上，所述面阵探测器6设置在成像反射镜5的离轴反射方向上。包含样品特征谱线的光束依次通过棱镜3折射、中阶梯光栅4反射，再次通过棱镜3分光，形成二维交叉色散光束，其中，所述光束两次通过棱镜3的色散方向一致，并且与中阶梯光栅4的色散方向垂直，配合准直反射镜2和成像反射镜5的准直和聚焦作用，最终在面阵探测器6上得到二维光谱图像。所述入射狭缝1采用Φ50±5μm针孔。所述棱镜3的材质为氟化钙。所述分光光路结构测试的短波下限为165nm。所述中阶梯光栅4的刻槽方向与所述棱镜3主截面平行。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术中阶梯光栅多个衍射级次的分离通过同一棱镜在垂直光栅衍射的方向上双次色散完成，较之相同通光口径下的棱镜单次色散或棱镜反射，光路在宽度上得以压缩；针对ICP光谱仪应用的紫外到可见波段宽光谱要求，采用氟化钙作为色散棱镜材料，其余均采用反射元件，测试的短波下限可达165nm，优于常规采用熔融石英作为棱镜材料的分光系统；同时，由于棱镜双次分光，色散增大，在达到相同色散效果时，较之棱镜单次色散方式可以大大减小棱镜的厚度和楔角，减少材料对光的吸收，提高系统的测试灵敏度。附图说明图1为现有技术中棱镜反射式中阶梯光栅交叉分光系统示意图；图2为现有技术中棱镜预色散透射式中阶梯光栅交叉分光系统示意图；图3为现有技术中棱镜后色散透射式中阶梯光栅交叉分光系统示意图；图4为本专利技术应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构——棱镜双色散透射式中阶梯光栅交叉分光系统示意图。其中的附图标记为：1入射狭缝2准直反射镜3色散棱镜4中阶梯光栅5成像反射镜6面阵探测器具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步说明。如图4所示，一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，包括入射狭缝1、准直反射镜2、棱镜3、中阶梯光栅4、成像反射镜5和面阵探测器6。各部件通过定位底座安装在同一壳体内，以保持相对空间位置不变：在系统光轴方向上安置入射狭缝1和准直反射镜2，入射狭缝1与准直反射镜2的间隔距离约等于准直反射镜2的焦距，在准直反射镜2的离轴反射方向上依次放置棱镜3和中阶梯光栅4，保持中阶梯光栅4的入射角与闪耀角一致，成像反射镜5位于中阶梯光栅4的离轴反射方向，并在成像反射镜5的离轴反射方向上安装面阵探测器6。其中，所述准直反射镜2用于准直入射光；所述棱镜3用于实现交叉色散；所述中阶梯光栅4用于实现高阶色散；所述成像反射镜5用于聚焦各波长平行光束；所述面阵探测器6用于接收光谱图像信号。包含样品特征谱线的光依次通过棱镜3折射和中阶梯光栅4反射实现两方向色散，再次通过棱镜3色散，形成二维交叉色散光束，其中，所述光两次通过棱镜3的色散方向一致，并且与中阶梯光栅4的色散方向垂直，配合入射狭缝1、准直反射镜2和成像反射镜5的准直、聚焦作用，最终在面阵探测器6上得到二维光谱图像。待测样品以气溶胶形式被引入ICP光源，激发出特征波长的光经入射狭缝1进入分光光路所在的封闭腔体，(由于中阶梯光栅交叉色散系统在相互垂直的两个方向上进行分光，本例中入射狭缝1采用Φ50μm针孔)，由准直反射镜2整形为平行光束，经过棱镜3后各波长沿棱镜主截面分开；初级色散光束入射到中阶梯光栅4发生衍射，当光栅刻槽方向与棱镜3主截面平行时，在垂直刻槽方向即光栅色散方向上实现高阶色散本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，该分光光路结构按光束的传播轨迹顺序包括：入射狭缝(1)、用于准直入射光的准直反射镜(2)、棱镜(3)、用于实现高阶色散的中阶梯光栅(4)、用于聚焦各波长平行光束的成像反射镜(5)和用于接收光谱图像信号的面阵探测器(6)；其特征在于：所述棱镜(3)用于实现光束的交叉色散如下：光束从棱镜(3)的同一侧入射和出射实现双次色散。

【技术特征摘要】
1.一种应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，该分光光路结构按光束的传播轨迹顺序包括：入射狭缝(1)、用于准直入射光的准直反射镜(2)、棱镜(3)、用于实现高阶色散的中阶梯光栅(4)、用于聚焦各波长平行光束的成像反射镜(5)和用于接收光谱图像信号的面阵探测器(6)；其特征在于：所述棱镜(3)用于实现光束的交叉色散如下：光束从棱镜(3)的同一侧入射和出射实现双次色散。2.根据权利要求1所述的应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，其特征在于：中阶梯光栅(4)的多个衍射级次的分离均通过同一棱镜在垂直光栅衍射的方向上完成双次色散。3.根据权利要求1所述的应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪分光光路结构，其特征在于：各部件分别通过定位底座安装在同一封闭腔体内，以保持相对空间位置不变如下：所述入射狭缝(1)和准直反射镜(2)设置在系统光轴方向上，入射狭缝(1)与准直反射镜(2)的间隔距离等于准直反射镜(2)的焦距；所述棱镜(3)和中阶梯光栅(4)依次设置在准直反射镜(2)的离轴反射方向上，保持中阶梯光栅(4)的入射角与闪耀角一致；所述成像反射镜(5)设置在棱...

【专利技术属性】
技术研发人员：何淼，曹海霞，夏钟海，赵英飞，罗剑秋，宫小艳，
申请(专利权)人：钢研纳克检测技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11