一、光谱仪简介

光谱仪是一种可以将含有多种波长光的复合光分解为具体单一光谱线的科学仪器，分光主要依靠棱镜或衍射光栅等器件。光谱仪应用了光谱学原理、光学技术等理论，可测量物体表面反射或投射的光线，从而获得其反射或投射光谱，可以分析其光成分、物体的元素含量，以及物质结构等信息。因不需要与待测样品直接接触，只需要测量光的信息，可以实现无损检测而有其他测量仪器不可替代的优势。

二、光谱仪发展历史

光谱仪的发展历史从光谱的发现开始，1665年英国科学家牛顿的棱镜分光实验初步发现了太阳光谱，他利用三棱镜将太阳光分解成不同颜色的色带投射在墙上，证明太阳光实际上是复合光，奠定了光谱学的基础。德国物理学家夫琅禾费于1814年发明了分光仪，在太阳的光谱中，他发现了574条黑线，这些线后来被称作夫琅禾费线。1859年，德国科学家基尔霍夫和德国科学家本生做了用灯焰烧灼食盐的实验，得出基尔霍夫定律，并由此判断太阳大气中元素吸收导致了太阳光谱暗线的现象，且物质发出和吸收的波长相同。1859年末，基尔霍夫与本生制备出第一台结构完整的光谱分析仪器，首次完成了光谱成分的分析，标志了光谱仪器的诞生。此后基尔霍夫与本生利用自制的光谱仪器开始研究各种物质的光谱，提出在一定条件下所有物质都具有各自特殊的光谱，初步建立了光谱研究的理论基础。从此开始，各国科学家逐渐开始研究元素及化合物的发射光谱，并通过光谱逐渐发现了其他方法也未曾发现的5种惰性气体元素以及13种稀土元素。

至此，人们都是使用棱镜进行分光，但由于棱镜的线色散率一般是非线性的，在实际光谱测量中很难精密测量，因此随着光谱学理论以及工艺制备条件的发展，人们逐渐开始使用光栅代替棱镜进行分光。1882年美国科学家罗兰研制出的高精度螺杆驱动式光栅刻线机，接着又发明了有自聚焦作用的凹球面衍射光栅，并用此种光栅制成了太阳光谱图，而其中具有大约14000条谱线。美国于1918年研制出紫外-可见光分光设备。1928年，德国蔡司厂开始了光摄谱仪的研究，并设计制作出了石英光摄谱仪。1940年瑞士生产出世界上第一台直读光谱仪。光谱仪器开始进入商品化发展阶段，光谱技术开始广泛地应用于各种科学研究与检测之中。

随着科学技术逐渐成熟，光谱仪开始结合自当时新兴的光电技术进入自动化、光电化阶段，光谱仪的光谱分析速度和光谱分析精度得到的极大提高，并作为一种新兴且成熟的分析技术开始应用于各行各业，同时光谱仪器本生也得到了长足发展。至 20 世纪60年代，完整的光谱定性或定量分析方法基本完善，结合具体需要，市面上生产出各种类型的光谱仪，光谱范围从远紫外覆盖到了远红外。

三、光谱仪主要分类

光谱仪种类很多，也有很多种分类标准如工作原理、波长范围等，而根据光谱仪分光系统的分解光谱原理的区别，可以大致分为经典色散型光谱仪和调制变换型光谱仪。

色散型光谱仪主要依靠空间色散原件将入射光中不同波长的光分散开，一般采用棱镜或光栅。色散型光谱仪具体分类有棱镜光谱仪、衍射光栅式光谱仪、干涉光谱仪等，是依据其色散原理进行分类。

棱镜色散光谱仪最为经典的一种，使用棱镜进行分光，对棱镜的质量要求非常高。棱镜色散原理如图所示：

一束复色光入射到分光棱镜一个工作表面上，入射角为i，经过两个界面的折射后，在第二个工作面出射，出射光线的出射角为θ，若棱镜材料的折射率为n，且棱镜顶角为α，光线偏折角为δ，则棱镜色散公式为：

根据公式可知，复色光中不同波长对应棱镜材料的折射率各不相同，光线通过棱镜后，各波长的光线按着各自的偏折角出射，达到了分光的效果，即为色散。棱镜色散光谱仪的色散能力与色散棱镜的角色散率相关，而该参数则取决于材料的折射率。棱镜光谱仪属于投射式光谱仪，原理相对简单，但其光谱范围受到棱镜材料透射率等不可抗因素的限制，因此单个棱镜的色散能力往往十分有限，一般需要多个棱镜组成棱镜组进行工作，棱镜组则涉及到光路准直调试等必要步骤，大大增加了光谱仪的复杂性，而且棱镜组的体积也很难进行压缩，因此不利于轻微化，便携化。

光栅式光谱仪是一种发展相对成熟的色散型光谱仪，体积一般比使用棱镜的光谱仪要小，而且操作相对简便。光栅式光谱仪使用衍射光栅作为色散原件，衍射光栅是一块刻有大量等宽、等距的平行狭缝的金属片或玻璃板，衍射光栅利用多缝衍射原理使入射光发生色散，其中反射式光栅原理如图所示：

平面闪耀光栅原理如图所示，光栅方程为：

其中 α 是衍射光栅的入射角，θ 是衍射光栅的衍射角，d 为衍射光栅狭缝之间的间距，一般称为光栅常数，m 是衍射级次，为整数。光栅的色散能力与光栅原件的刻线密集程度有关，一般条件下单位面积内的刻线数越多，衍射光栅的色散能力越强。

四、光谱仪工作原理

光谱仪结构分析

光谱仪系统地结构主要有光源模块、光路准直模块、光学色散模块、光路聚焦模块，光信号采集模块以及光谱数据收集传输模块，现代光谱仪一般还会有光谱数据的后端处理模块。

光源模块是光谱仪的光信号的最初来源，是光谱仪后续的工作测量的前提。尤其是研究物质吸收光谱的光谱仪器，光源模块的稳定尤其重要。吸收光谱是待测物质分子或原子吸收特定波长的光子，从低能级跃迁到高能级，造成光谱中某些峰发生变化，从而生成其吸收光谱。光谱仪的光源一般依据实际应用的光谱范围进行选 择，如测量 950-1600nm 的近红外光谱仪一般会选择钨灯作为发射光源，钨灯的波长范围在320-2500nm。

光路准直模块、光学色散模块和光路聚焦模块一般统称为光谱仪光学系统，主要作用为将复色光分开成各谱线，并将谱线汇聚至采集模块，依据色散原理可以大致分为棱镜型、光栅型和调制变换型。其中准直模块一般采用准直物镜或狭缝实现光路的准直作用，光学色散模块一般采用棱镜或光栅等原件，光路聚焦系统一般是透镜或凹面反射镜，一些特殊光谱仪不采用聚焦系统，而将色散模块分开的单色光直接投射到线列或面阵探测器上进行探测，但由于色散原件一般存在非线性特性，即折射角或衍射角随波长的变化有非线性的增减，对于后续探测造成很大难度。

光信号采集模块、数据传输模块以及光谱数据处理模块一般称为光谱仪器的后端电路控制系统。光谱仪的电路控制系统是光谱仪正常工作的前提保证。光信号采集模块主要作用是将色散原件分离的各单色光的光信号转换成电学信号，采集模块按具体工作波长范围选择不同的探测器，如 CCD 探测器、CMOS 器件、铟镓砷探测器等，其中 CCD 探测器是电荷耦合元件，CMOS 是互补金属氧化物半导体， CCD 探测器和 CMOS 器件都是基于硅材料研制，因此它们的光谱范围大概在 200-1200nm 左右，而铟镓砷探测器可探测的波长范围可以达500-1900nm，因此一般近红外光谱仪采用铟镓砷探测器较多。数据传输模块是电路系统中很重要的一部分，一般包含信号放大、信号滤波、模数转换等功能，其处理速度决定了光谱仪器的工作速度。光谱数据的分析一般在上位机即计算机上进行，现在计算机功能足够强大可以对光谱图进行各种层面的分析，如结合大数据进行分析。

光谱仪工作过程及原理

以吸收光谱光谱仪器为例，光谱仪主要工作过程如图所示：

标准复色从光源模块发出，照射到待测样品，样品中的分子或原子吸收特定波长的光子，反射光或透射光便获得了样品的信息，继而通过光路准直模块成为平行光，携带信息的平行光再进入光学色散模块，光学色散模块将复色平行光分解成不同波长的单色光，各单色光经过光路聚焦模块依次在焦平面成像，形成各单色光的谱线，即初级的光谱图。

然后采集模块将成像后的各谱线光信号接收，一般将其转换为与光强正相关的电压信号，此时该电学信号是初级模拟信号，需要数据传输模块将模拟信号进一步处理，如对信号进行放大增强、滤波处理，再进行模数转换，得到数字信号后传输到下一级系统即上位机进行存储或处理。计算机可以将数字信号整理处理成依照波长变化的图谱，此时便得到了光谱图，计算机还可以按照具体需要对数据进行进一步的处理。