小中大【转载】【分享】中阶梯光栅的介绍
线色散率、分辨率、集光本领是评价光谱仪性能的重要指标，而这些性能又主要取决于所采用的色散元件—光栅，制造高性能的光栅一直是光谱仪技术追求的目标。
ICP分光系统中，全直谱图的很多都是采用中阶梯光栅。从光栅色散率公式可知，在自准条件下（a=b=e）
dl/dλ=(m·f)/(d·cosb)
提高线色散率可采用长焦距f、大衍射角b、高光谱级次m、减少两刻线间的距离d（提高每毫米刻线数）。
从光栅分辨率公式可知
R=λ/Dλ=m·N
提高分辨率可增加光栅刻线总数N、用高衍射级次来解决。
在常规的光栅设计中，都是通过增加每毫米刻线数来提高线色散率和分辨率。事实上由于制造技术及成本原因，精确、均匀地在每毫米刻制2400条线已很困难，采用全息技术制造的全息光栅最高可达10000条，但由于槽面成正弦形，使闪耀特性受影响，集光效率下降。
1949年美国麻省理工学院的Harrison教授摆脱常规光栅的设计思路，从增加衍射角b，利用“短槽面”获得高衍射级次m着手，增加两刻线间距离d的方法研制成中阶梯光栅（Echelle），这种光栅刻线数目较少（8～80条），使用的光谱级次高（m=28～200），具有光谱范围宽、色散率大、分辨率好等突出优点。但由于当时无法解决光谱级次间重叠的问题，在五、六十年代未受到重视，直到七十年代由于实现了交叉色散，将一维光谱变为二维光谱，方得到实际应用。随着九十年代初二维半导体检测器（CID）和(CCD)的应用，中阶梯光栅的优点才在ICP光谱分析中充分的展现出来。
光栅方程d(Sina+Sinb)=mλ 同样也适用于中阶梯光栅。在“自准”（a=b=e）时，
m=2d·Sine/λ。
中阶梯光栅不同于平面光栅，采用刻槽的“短边”进行衍射，即闪耀角e很大（60°- 70°）；采用减少每毫米刻线数，即增大光栅常数d，因此，光谱级次m大大增加。例如IRIS Ad.全谱直读ICP的光栅刻线为52.6条/mm，闪耀角e=64°，可计算出对应λ=175nm的光谱级次m=189级，对应λ=800nm的光谱级次m=42级。
对于衍射级次从42～189时，其闪耀波长分别在800～175nm光谱分析段内，且这些闪耀波长间隔较近，即形成全波长闪耀。
中阶梯光栅的角散率：db/dλ=(2·tgb)/λ
线色散率 dl/dλ=(2·f·tgb)/λ
分辨率 R=λ/Dλ=2·W/(λ·Sinb)
从上面三个公式可知，中阶梯光栅的角色散率、线色散率和分辨率都与衍射角b有关，并随着b增大而增大。因此，只要取足够大的b值（取闪耀角接近衍射角b=64°），即相当于在较高级次下工作，就能获得很大的角色散率、线色散率和分辨率。
对于一般平面光栅，线色散率dl/dx =(f·m)/d，必须依靠增大仪器的焦距f，减小刻线间距d（增加刻线条数）来增加线色散率。而中阶梯光栅由于角色散率很大，不必依赖焦距的增加，就能获得较大的线散率。例如焦距1米，3600条/mm的平面光栅在200nm处，一级光谱的倒数线色散率仅为0.22nm/mm，而0.5米焦距，52.6条/mm的中阶梯光栅光谱仪在168级处同一波长的倒数线色散率可达0.14nm/mm。由于中阶梯光栅的角色散率足够大，焦距反而可缩小（如0.5米），因此，仪器光室的体积大为缩小，使相对孔径变大，光谱光强也得到提高。
由于线色散率大，中阶梯光栅每一级光谱的波长范围相当小，在这个范围内各波长的衍射角基本一致，而且各级基本上是在同一角度下（闪耀角）观察整个波长范围，所以均可达到很大闪耀强度，即“全波长闪耀”。另外，这种中阶梯光栅它们相邻的衍射光谱级次之间的能量分布如上图所示，从图中可以看出，同一波长的入射光的能量多被分布在两个相邻衍射光谱的级次里，由于最佳闪耀波段两侧能量锐减，如图中虚线下方所示。故入射光强能量几乎都被集中到如图中虚线上方的闪耀波段中的该波长上，由此可知，中阶梯光栅在175~800nm全波段范围内均有很强的能量分布，中阶梯光栅其光谱图象可聚焦在200 mm2的焦面上，非常适合于半导体检测器来检测谱线。
中阶梯光栅光谱仪各级之间的重叠用交叉色散棱镜的办法来解决，即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直，这样在仪器的焦面上形成二维光谱图象。
