简介

由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅（在广义上任何具有空间周期性的衍射屏都可叫光栅）。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。光栅也称衍射光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。光栅的狭缝数量很多，一般每毫米几十至几千条，单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果。光栅分为反射式光栅与透射式光栅，其是光谱仪中主要的分光器件。

光谱仪又称分光仪，可将成分复杂的光分解为光谱线，并利用光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长的强度。它由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统及一个或多个出射狭缝组成，色散系统将入射光分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上（或扫描某一波段）进行强度测定。

光谱仪结构

图1. 光谱仪结构示意图。

如图1为光谱仪结构示意图，由图可知，一台典型的光谱仪包括以下几个主要部分：

a. 入射狭缝: 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。

b. 准直元件: 使狭缝发出的光线变为平行光。

c. 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。

d. 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。

e. 探测器：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。

光谱仪性能指标

a. 波长范围（在 X 轴上的可测量范围）：光谱仪可测量的波长区间。

b. 波长分辨率（在 X 轴上可分辨到什么程度的信号变化）：光谱仪能分辨波长的能力。

c. 动态范围（在 Y 轴上的可测量范围）：可测量的信号强度范围。

d. 灵敏度与信噪比（在 Y 轴上可分辨到什么程度的信号变化）：灵敏度描述了光谱仪把光信号变成电子学信号的能力，高的灵敏度有助于减小电路本身的噪声对结果影响。信噪比为信号与噪声比值，该值越大越好。

e. 干扰与稳定性（信号测量是否可靠？是否可重现？）：主要为杂散光对信号光的干扰；而稳定性为光谱仪在不同环境下的测量稳定度。

f. 采样速度与时序精度（一秒可采集的完整的光谱数量，采集时刻的精准性）：较快速的光谱仪一秒可采集8千张光谱图；高时序精度为纳秒，低的为毫秒。

光谱分析—定性定量分析

根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成（定性）或相对含量（定量）的方法叫光谱分析。

任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级，其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。

如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态。原来提供能量的光经分光后谱线中缺少了一些特征光谱线，因而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。

通过光谱的研究，人们可以得到原子、分子等的能级结构、能级寿命、电子的组态、分子的几何形状、化学键的性质、反应动力学等多方面物质结构的知识。但是，光谱学技术并不仅是一种科学工具，在化学分析中它也提供了重要的定性与定量的分析方法。通过对光谱横坐标的分析，可以得到测量样品中所含元素种类；通过对纵坐标的分析可以获得该元素在样品中的含量。