¶ 光谱仪
¶ 1.光谱仪的功能与结构
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，即光谱仪是测量光强与波长（颜色）的函数关系的仪器。通常所见的光谱仪的一般结构为：透镜—光栅—透镜。其中，衍射光栅又可分为反射式衍射光栅和透射式衍射光栅。
首先，由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅，其是光谱仪中主要的分光器件。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（即分解为光谱）的光学元件。光栅的狭缝数量很多，一般每毫米中包含几十甚至几千条，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。
图1 光谱仪（反射式衍射光栅）结构示意图
图2 光谱仪（透射式衍射光栅）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：
（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。
（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，其中每一像点对应一特定波长。
（5） 探测器：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。
¶ 2.透射式衍射光栅的光学特性
光栅本质上是带有平行排列的若干等距狭缝的光阑。为了进行简化，这里以研究透射式衍射光栅为例，且光栅只有两个狭缝（俯视图）：
图3 光路示意图
图中已经对入射光束进行了准直，所以光束中的所有光线彼此平行。如果考虑穿过两个狭缝（红色箭头）的两条光线，可以计算这两条光线（蓝色部分）之间路径差Δs，它是两个狭缝之间的距离d，入射角α 和衍射角β 的函数：
我们希望这个路径差的大小相当于一个波长，以便在两条光线之间产生相长干涉：
可以通过前两个方程计算出衍射角：
该公式描述了多色光在光谱仪中是如何分解为不同波长的。可以看到，衍射角只取决于波长（对于给定的 α和β ）。将双狭缝的概念推广到具有多个狭缝的栅格中，即可使更多特定波长的光线聚集在衍射角的方向上，从而提高衍射效率。无论哪种情况，都必须认识到衍射光栅的特性是由两个相邻狭缝之间的距离决定的，并且将准直光束转化为其波长的函数。
在光谱仪中使用折射式光栅时，一般使其入射角等于中心波长的衍射角，即：
使用公式（1）可得：
¶ 3.光谱仪性能指标
（1） 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。
（2） 波长分辨率（在 X 轴上可分辨到的信号变化程度）：光谱仪能分辨波长的能力。
（3） 动态范围（在 Y 轴上的可测量范围）：可测量的信号强度范围。
（4） 灵敏度与信噪比（在 Y 轴上可分辨到的信号变化程度）：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。
（5） 干扰与稳定性（即信号测量是否可靠、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。
（6） 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几千张张光谱图；高时序精度为纳秒，低的为毫秒。
¶ 4.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。