光谱仪综述

光谱仪综述

一、光谱的概念

光谱（spectrum）是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色

散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光

谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围

内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。

光波是由原子运动过程中的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动

情况不同，所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学。1666年，牛顿

把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱，他发现白

光是由各种颜色的光组成的。这可算是最早对光谱的研究。其后一直到1802年，渥拉斯顿观察到了光谱线，其后在1814年夫琅和费也独立地发现它。牛顿之所

以没有能观察到光谱线，是因为他使太阳光通过了圆孔而不是通过狭缝。在1814～1815年之间，夫琅和费公布了太阳光谱中的许多条暗线，并以字母来命名，其中有些命名沿用至今。此后便把这些线称为夫琅和费暗线。

实用光谱学是由基尔霍夫与本生在19世纪60年代发展起来的，他们证明

光谱学可以用作定性化学分析的新方法，并利用这种方法发现了几种当时还未

知的元素，并且证明了太阳里也存在着多种已知的元素。从19世纪中叶起，氢

原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图说明氢原子光谱的过程中，所得到的各项成就对量子力学法则的建立起了很大促进作用。这些法则不仅能

够应用于氢原子，也能应用于其他原子、分子和凝聚态物质。

氢原子光谱中最强的一条谱线是1853年由瑞典物理学家埃斯特朗探测出来的。此后的20年，在星体的光谱中观测到了更多的氢原子谱线。1885年，从

事天文测量的瑞士科学家巴耳末找到一个经验公式来说明已知的氢原子谱线的

位置，此后便把这一组线称为巴耳末系。继巴耳末的成就之后，1889年，瑞典

光谱学家里德伯发现了许多元素的线状光谱系，其中最为明显的为碱金属原子

的光谱系，它们也都能满足一个简单的公式。尽管氢原子光谱线的波长的表示

式十分简单，不过当时对其起因却茫然不知。一直到1913年，玻尔才对它作出

了明确的解释。但玻尔理论并不能解释所观测到的原子光谱的各种特征，即使

对于氢原子光谱的进一步的解释也遇到了困难。

能够满意地解释光谱线的成因的是20世纪发展起来的量子力学。电子不仅

具有轨道角动量，而且还具有自旋角动量。这两种角动量的结合便成功地解释

了光谱线的分裂现象。电子自旋的概念首先是在1925年由乌伦贝克和古兹密特

作为假设而引入的，以便解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄拉克的相对论

性量子力学中，电子自旋(包括质子自旋与中子自旋)的概念有了牢固的理论基础，它成了基本方程的自然结果而不是作为一种特别的假设了。

1896年，塞曼把光源放在磁场中来观察磁场对光三重线，发现这些谱线都

是偏振的。这种现象称为塞曼效应。次年，洛伦兹对于这个效应作了满意的解释。塞曼效应不仅在理论上具有重要意义，而且在应用中也是重要的。在复杂

光谱的分类中，塞曼效应是一种很有用的方法，它有效地帮助了人们对于复杂

光谱的理解。为了更加方便地检测光谱信息，光谱仪应由而生。

二、光谱仪的分类

为了检测光谱信息，光谱仪应由而生，它能将复杂光分离成光谱。光谱仪

的种类很多，分类方法也很多，根据光谱仪所采用的分解光谱的原理，可以将

其分成两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散（分光）原理上的仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光

谱仪。经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为：棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪、干涉光谱仪。根据接收和记录光谱的方法不同，光谱仪可分为：看谱仪、

摄谱仪、光电光谱仪（光电直读光谱仪、光电单色仪、分光光度计）。根据光

谱仪器所能正常工作的光谱范围，光谱仪可分为：真空紫外（远紫外）光谱仪、紫外光谱仪、可见光光谱仪、近红外光谱仪、红外光谱仪、远红外光谱仪。根

据仪器的功能及结构特点，光谱仪可分为下列类型： 1、单色仪（平面光栅单

色仪、凹面光栅单色仪、棱镜单色仪、双单色仪）2、发射光谱仪（火焰光度计、看谱仪摄谱仪、光电光谱仪、谱线测量光谱仪）3、吸收光谱仪（真空紫外分光光度计、可见分光光度计、紫外可见分光光度计、双波长分光光度计、红

外分光光度计、原子吸收分光光度计）4、荧光光谱仪（原子荧光光度计、荧光光度计、荧光分光光度计、荧光检测计）5、调制光谱仪（傅里叶变换光谱仪、阿达玛变换光谱仪、栅栏调制光谱仪） 6、其他光谱仪（激光拉曼光谱仪、快

速扫描光谱仪、相关光谱仪、光声光谱仪、成像光谱仪、多光谱扫描仪、色度仪、测色色差计、白度计）。

三、经典光谱仪的基本原理[1]

经典光谱仪是建立在空间色散原理上的仪器。一台典型的光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分：

1. 入射狭缝: 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。

2. 准直元件: 使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。

3. 色散元件: 通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。

4. 聚焦元件: 聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。

5. 探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。

棱镜色散、光栅色散和干涉色散是三种经典光谱仪的色散方式。原理图如下所示：

棱镜色散的原理主要是不同波长的光具有不同的相对折射率，造成了复色光在折射过程中折射角的不同，从而产生了色散效应。出射的色散光经由成像镜会聚于探测器，得到不同波长的色散光。