光栅光谱仪的基本原理与光栅选型

引言

光谱(Spectrum;Optical Spectrum)是复色光（如太阳光、灯光）经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，不同波长的光按波长（或频率）大小依次排列形成的图案。从更准确的物理学角度看，光谱记录了不同颜色的光分别有多亮（即光强随波长的分布情况）。

光谱本质上描述了光强随波长（或频率）的分布，其物理根源在于电子运动状态的变化（跃迁）及其动态过程，具体涵盖原子/分子的能级跃迁、固体能带间跃迁、自由电子-自由电子跃迁、分子振动/转动能级跃迁以及复合辐射等机制。根据产生与观测方式的不同，光谱可分为若干类型：发射光谱（如热辐射、复合辐射、自荧光、电致发光、光致发光等）、散射光谱（包括拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射、康普顿散射、汤姆逊散射等），以及吸收与反射光谱。这些光谱形式共同为研究物质结构、能级分布及动力学行为提供了关键实验依据。

图1 光谱仪的基本组成

光谱仪的基本组成如图1 所示。光辐射由狭缝(位于准直镜的焦平面上) 进入分光系统，经准直镜的平行光束投射于色散元件。各种波长的光被色散到不同的方向，物镜将各波长平行光束聚焦，在物镜焦面上形成各波长的单色狭缝像，这样就获得了光谱。如果在光谱焦面上只有一个出射缝，用于检测可调节的单一波长信号强度的光谱仪称之为单色仪，而焦面上有多个出射缝，可同时检测多个波长光谱信号强度的是多色仪或多通道单色仪。

光谱仪是一种灵敏度高、适应性广、分析速度快、使用方便的光谱分析仪器。根据分光方式的不同，光谱仪常见的可以分为两类：棱镜摄谱仪和光栅光谱仪。由于棱镜摄谱仪的色散系统由棱镜系统组成，它的工作范围受到棱镜材料的限制。与之相比，光栅光谱仪的波长范围宽，色散率和分辨率高等特点，因此目前已成为主要的光谱分析仪器^[1]。

光栅光谱仪

光栅光谱仪通常需具备两大基本功能：一是色散功能，由光栅将入射光按波长在空间上分离；二是成像功能，由透镜或反射镜等光学元件实现光路的传输、汇聚与准直，确保不同波长的光能够清晰、高效地聚焦于探测器平面，从而获得具有高分辨率和信噪比的光谱信息。  

图2 光栅光谱仪分光原理

目前普遍采用的光路结构为切尼-特纳结构（图2），简称C-T结构。整个光路主要由准直反射镜、光栅和聚焦反射镜三个光学原件组成。C-T结构形式上又可分为基本型C-T结构，其光路结构因形状像字母“M”，故常被称为M型C-T结构。另一种光路结构是由M型光路演变而来，其将光路进行了交叉、折叠式，所以称其为交叉型C-T光路结构，通过光路的折叠，使其结构更紧凑，整体光路尺寸更小。

M型光路在像散优化中具有明显的优势，可将像散校正到一个很低的水平。相较于交叉式切尼-特纳(czerny-turner)光路，该光路的光谱分辨率相对较高。交叉型光路交叉式切尼-特纳(czerny-turner)光路结构的慧差相对于M型光路来说要更小，慧差可以被校准到一个比较理想的数值，并且得到的光谱斑点较为规整。因交叉式光路*为紧凑，所以微型光谱仪通常采用交叉式光路。而针对于分辨率要求比较高的场合，则更多的采用M型光路。

在选配光栅光谱仪时，要合评估多个关键参数，包括光栅类型与刻线密度、光谱仪焦距、波长准确度与重复性、倒线色散、光谱带宽、分辨率以及杂散光水平等。本文将重点围绕光栅进行探讨，为实际选型提供基本思路。

光栅的选型

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形，经典刻划方法制成的光栅可以是平面或者凹面，每道沟槽互相平行。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成，沟槽可以是均匀平行的或者 是为了优化性能而特别设计的不均匀分布。全息光栅可在 平面、球面、超环面以及很多其他类型表面生成。

反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。如图所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为，衍射角为，衍射级次为m，为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：

。

从该光栅方程可看出：对一给定方向，可以有几个波长与级次m 相对应λ 满足光栅方程。比如600nm 的一级辐射和300nm 的二级辐射、200nm 的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加消多级光谱滤光片轮的意义。

衍射级次m 可正可负。对相同级次的多波长在不同的分布开。含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变，则在不变的方向得到不同的波长。

如何选用光栅？

光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。选择光栅主要考虑如下因素：

1、光栅刻线，光栅刻线数直接关系到光谱分辨率与使用范围，光栅刻线越高，将得到越高的光谱分辨率，但光谱范围越窄，光谱强度越弱，因此，需要根据试验条件灵活选择；

2、闪耀波长，闪耀波长为光栅*大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm ；

3、使用范围，光栅的使用的下限通常可认为是光栅闪耀波长的一半，上限可认为是光栅闪耀波长的二倍，实际可参考光栅效率曲线图；

4、光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

5、鬼线：如果衍射光栅上存在周期性刻划失误，那么鬼线(并非散射光)将聚焦在衍射平面上。全息光栅没有鬼线，因为它不可能出现周期性的刻划失误，所以它是克服鬼线问题*好的解决方案。

6、工作波长高于1.2um的红外波段，无法选用离子刻蚀全息光栅；以及需要宽光谱范围时一般选用低密度刻线光栅。

光栅光谱仪的性能并非仅由光栅决定，而是光栅参数、光路结构、探测器特性及狭缝设置协同作用的结果。在具体应用中，光栅的刻线密度与闪耀波长应首先匹配所需的测量波段与分辨率要求；在此基础上，还需结合光谱仪的焦长、数值孔径及探测器像元尺寸，综合评估实际可达的光谱分辨率和信号采集效率。

后续我们将继续围绕光谱仪的设计与选型展开介绍，内容涵盖光谱仪焦距、准确度与重复性、倒线色散、带宽、分辨率、杂散光等关键参数。欢迎持续关注卓立汉光，获取更多光谱学知识与技术动态。

参考文献

[1] 刘汉臣, 王秋萍, 张崇辉, 等. 光栅扫描光谱仪参数的研究[J]. 应用光学, 2008, 29(4): 595-598.

[2] 王兴权. 光栅光谱仪原理及设计研究[D]. 长春理工大学, 2005.