N-BK7 的三项 Sellmeier 色散
波长以微米为单位代入,系数用这种玻璃公开的数值。颜色在角度上的展开,来自同一关系的导数,画面没有另外拟合一条颜色间距曲线。
光学 010 · 光线世界、界面与自然光学
玻璃棱镜要怎样摆,才能从每种颜色落下的位置读出波长? 先把一条已知谱线调到最小偏向,这时它的光对称地穿过棱镜;然后棱镜不再转动。其他波长各自落在探测器的固定位置上,位置由玻璃折射率随波长的变化决定,看位置就能读出波长。
在测角仪上,形状随顶角变化的 N-BK7 棱镜成了一台可标定的光谱仪。白光同时穿过两个固定的面,偏向角扫描找到对称的驻值点,已知的原子谱线先标定探测器,再测出未知波长。
物理教程
背景棱镜光谱仪的出发点是材料色散,也就是折射率随波长变化。SCHOTT N-BK7 玻璃的折射率按公开的 Sellmeier 关系计算:。接着在同一个固定三棱镜的入射面和出射面上分别用 Snell 定律求折射,再找出每条出射光线打在固定探测器平面上的位置。
为什么值得理解玻璃棱镜要怎样摆,才能从每种颜色落下的位置读出波长?
先抓重点
波长以微米为单位代入,系数用这种玻璃公开的数值。颜色在角度上的展开,来自同一关系的导数,画面没有另外拟合一条颜色间距曲线。
在驻值点,棱镜内部的光线把顶角平分。画面里的表面法线、入射段、内部段、出射段和偏向扫描,全都来自这一个解。
参考线锁定后,探测器的中心、法向和切向都固定不动。测到的位置只由出射点和出射方向决定;这个映射是单调的,所以可以反过来求出波长。
容易误解画白光光谱时,可以给每个波长单独算最小偏向角,再让所有彩色光线都从棱镜中心射出。
正确理解这样做等于每种颜色都偷偷转一次棱镜,还把两次折射都丢掉了。这里只用一条参考线定姿态。所有颜色从同一点射入,各自到达算出的出射点,再折射一次,落在同一个探测器上。
在白光场景,把顶角从最小扫到最大。先确认三棱镜本身确实在变形,再沿紫光和红光一路追踪,穿过两个固定表面,到达探测器平面。
你会看到: 顶角越大,棱镜底边越宽,偏向角和颜色在探测器上的间距都变大。所选标记在同一个传感器上移动,传感器本身不动。进入最小偏向场景,改变波长。对照虚线表面法线、相等的两个内部角、入射角与出射角相等的读数,以及完整偏向扫描底部的标记。
你会看到: 最小偏向时,两个内部折射角在数值精度内相等,偏向角随入射角变化的曲线在这里取驻值最低点。偏离这个姿态,两个角就不再相等,但两个表面仍各自遵守 Snell 定律。在标定场景,把未知谱线移过参考锚点,再移到锚点之外。同时读探测器坐标和反演出的波长,用反演残差判断精度,不要只看颜色。
你会看到: 波长越短,N-BK7 折射率越大,偏折越多。汞的两条黄线挨得很近,在探测器上也挨得很近;氢的红线和蓝线隔得远,标定跨度更大。