光譜儀器

　　用以獲取按波長（頻率或波數）排列的原子或分子光譜的儀器。光譜學因為研究的範圍涉及原子和分子結構而在光學中形成一個獨特的分支。光譜儀器也因此而與一般以成像為目的光學儀器相區別。光學和光學儀器已有幾千年的歷史，但是光譜學和光譜儀器的歷史卻不長，隻能追溯到1666年I.牛頓在可見光區的分光試驗。F.W.赫歇耳在1800年和J.W.裏特在1801年分別將光譜範圍擴展到紅外和紫外。牛頓是用小孔獲得光譜的，1802年W.H.渥拉斯頓改用狹縫，發現太陽光譜中有許多暗線；；直到1814年 J.von夫瑯和費才認識到這些暗線有固定的位置，並用字母標註，隨後他還用光柵測出它們的波長，後世就稱之為夫瑯和費譜線。1859年G.R.基爾霍夫闡述瞭表明物質特征的光譜定律，解釋瞭夫瑯和費譜線是太陽大氣中物質呈現出的譜線自蝕現象，因而指出，如要對太陽大氣進行化學分析，隻消找到那些能在火焰中發射出與暗線波長相同的明線的某些物質就行瞭。於是他和R.W.E.本生考察瞭大量的夫瑯和費譜線，認識到太陽大氣中很多種元素與地球上相同。這就破除瞭對天體成分的神秘感。另外，從光譜考察中人們還可推知天體的溫度、它的發光性質、運行速度等，這些成果不僅是對科學研究方法的貢獻，而且對於唯物主義宇宙觀起到重大的支持作用。

　　光譜儀器以其精確、敏捷、需用樣品量少等特點而得到迅速發展，並廣泛應用於基礎理論、工農業、醫藥等眾多方面，是許多實驗室必備的儀器。人造衛星經常攜帶光譜儀器上天，不但考察宇宙，其中的多光譜掃描器也是勘探地球資源的非常有效的裝置（見光學遙感）。

　　基本結構和性能　基本形式如圖1所示：狹縫S位於準直物鏡O₁的焦面上，於是有平行光束射至色散元件(這裡是棱鏡)，光就被分解為光譜並最後聚焦於成像鏡O₂的焦面F上。所以光譜儀器也有其成像問題，就是要盡量減小像差，使光譜線清晰。特別重要的是要使相鄰波長的光譜線分辨清楚。這與一般光學儀器中要分辨空間相鄰物點的情況相似，所不同的是這裡要分辨的是不同的波長。為瞭明確起見，稱這裡的分辨本領為色分辨本領或光譜分辨本領。和研究在空間分辨問題一樣，常采用瑞利判據，就是當兩個等強度的相鄰波長的光各自形成其狹縫像時，如果一個的衍射極大正好落在另一個的衍射極小上，則認為它們是被分辨瞭。這樣的綜合曲線會有一個中間的極小，其強度約為極大峰值的80％。另外有一個比較寬的判據，稱為斯帕羅判據，它僅要求當中有一個相對極小就行，而且這個判據還適用於兩譜線強度不相等的情況。色分辨本領的定義是

式中 λ是所考察的區域的平均波長， δλ則為被分辨清楚的兩波長之差，ῡ是波數。

　　光譜儀器的狹縫既是為瞭取得譜線，那麼似乎愈狹對分辨愈有利。但是成像是衍射過程，即使狹縫是無限狹窄的，它的衍射像卻不是無限狹窄的，光能分佈在較大的范圍內。如果稍稍放寬狹縫，光能的分佈會逐漸集中於其幾何像的范圍內，而衍射像的半值寬度增長較慢。所以這時放寬些狹縫對分辨並無多大不利，卻能使光能較為集中。當狹縫的幾何像寬度等於無限窄狹縫的衍射像兩極小間的距離之半時，狹縫的衍射像近於幾何像，再放寬就不再對光能分佈有利，卻對分辨有害瞭。所以使用儀器時以取這一狹縫寬度為宜。它的值等於

，其中 f為準直物鏡焦距， D為光束寬度。後面這個分數是儀器的結構所決定的；但 λ 是波長，對於紅外波段，狹縫應稍寬，因為紅外光源往往較弱，正好可以補救，這是一種天然的巧合。有些紅外吸收光譜儀器為瞭保證各區域有近於同等強度的連續光譜，能夠自動按波長調節其狹縫寬度。

　　分類　光譜儀器有多種分類方法。較常見的有：按輻射的波段分為可見、紫外、紅外等光譜儀器；按所用色散部件則分為棱鏡、光柵和幹涉光譜儀器。著眼於觀測方面則傳統分為分光鏡、分光計和攝譜儀。後者指用照相方法記錄光譜，是明確的。但分光鏡原指用眼觀察，而分光計則指可以進行測量（參見圖1，在F後面加一目鏡則和O₂組成望遠鏡，利用其中叉絲可確定所觀察譜線的波長）。不過這種區分實際上很難，所以分光計一詞在英文中往往就指光譜儀器。此外，現代的光譜儀器中，探測器多采用光電和熱電效應的器件，人眼已退居輔助的地位。光譜儀器的另一形式是單色器，這裡暫時不安裝探測器，卻在F處安置一個出射狹縫，隻讓一定光譜帶寬的準單色光通過。可見，單色器是分光計的一種特殊形式。如果有若幹個出射狹縫可以同時獲得多種準單色光，則稱為多色器，光量計就是這樣的一種儀器，在若幹個出射狹縫後面各安置適當的探測器，配合計算機可迅速求出所需結果。雙單色器是兩個串聯的單色器，前一個的出射狹縫成為後一個的入射狹縫，其目的是減少通過儀器的雜散光。有些光譜儀器以其工作原理所依據的物理現象命名，例如喇曼光譜儀器。還有些命名則指示其工作對象，如析鋼鏡。

　　光譜儀器中的主要部件即光源和探測器（見光譜光源、光探測器、熱探測器）都已有專條介紹，這裡隻著重於色散部件。

　　棱鏡光譜儀器　是最常用的儀器，夫瑯和費和基爾霍夫等就是用以作出他們歷史性貢獻的。棱鏡作為色散部件既要求有足夠大的色散，又要求它能充分透過所用波段的輻射。可見區多用火石玻璃；紫外區從近到遠常用石英、螢石、氟化鋰等；紅外區從近到遠則用氯化鈉、溴化鉀、碘化銫等。有些儀器為瞭能適用於寬闊的波段，用幾塊不同材料的棱鏡交替插入光路中。

　　理論上棱鏡的分辨本領是

，式中 b是棱鏡底邊(圖1中下方線段)之長， 是棱鏡材料的折射率隨波長的變率。棱鏡的 R大約可以達到 10 ⁴的數量級。註意分辨本領的關系式中並不包含棱鏡的頂角，而頂角愈大，則色散愈大。可見增大色散並不能提高分辨本領。不過頂角一般取為60°，這是因為太大則在第二面會出現全反射；而且入射角愈大，反射的損失也愈大。由於分辨本領依賴於底邊，意味著棱鏡的尺寸要大，但由於材料等限制，所以解決的辦法就用若幹塊棱鏡相串聯。為瞭給分辨本領一個數字的概念，要分辨鈉黃線雙線大約要求分辨本領為 10 ³，用一般火石玻璃作棱鏡，其底邊長度有1厘米就行瞭。

　　圖1的安排中觀察的方向不正對著光源，這在某些場合不夠方便，於是有一種直視分光鏡，它可以隨身攜帶，亦稱袖珍分光鏡。這裡使用阿米奇棱鏡或稱佈朗寧棱鏡（圖2）。它由當中一塊火石玻璃，兩旁膠合兩塊冕牌玻璃所組成。火石玻璃棱鏡對於某波長（例如 d線）的偏向作用可以正好為兩塊冕牌玻璃棱鏡的作用所抵消，但是對其他波長則不能抵消，於是還是有展開的光譜，雖不太寬，但便於作一次概略的考察。可以采用五塊或七塊棱鏡的組合以增寬光譜。為瞭小巧，常將望遠鏡省去。如果配以照相機，則可為簡單的實驗室提供一臺小攝譜儀。

　　不論直視分光鏡或如圖1的分光鏡，皆可附加一隻光管，將一刻度尺經棱鏡的最後一面投射成像於光譜之上。這樣就可以不必轉動望遠鏡而讀取小范圍內的譜線間的距離。但是這樣各波長的光不能皆以最小偏向角通過棱鏡，因而放大率互相稍異，譜線寬度也稍異，像差也較甚。這些都對分辨不利。

　　用恒偏向棱鏡可以保持準直管和望遠鏡都不動而隻轉動恒偏向棱鏡使各波長的光總以最小偏向通過棱鏡。達到恒偏向的辦法是將棱鏡和一次反射相結合。一種常見的形式是阿貝棱鏡或稱佩林－佈羅卡棱鏡。它由兩個“半棱鏡”（30°、60°、90°的棱鏡）和一塊45°、45°、90°的反射棱鏡所組成(圖3中細線)，但一般是一整塊。這裡的恒偏向是90°(圖中虛線間的角)。這種儀器以其緊湊方便應用於許多生產部門，例如析鋼鏡。

　　為瞭取得大色散和大分辨本領，可以用幾塊棱鏡組成恒偏向棱鏡組。常見的一種稱為福斯特林棱鏡組，它由兩塊等邊三角形棱鏡和一塊阿貝棱鏡組成（圖4）。棱鏡Ⅰ和Ⅲ的偏向作用相互抵消，所以恒偏向角還是90°。如果希望更高的分辨本領，則可以將它變為自準的形式。

　　自準是將光射回去，也就是恒偏向180°，可用利特羅裝架法。這裡使用一片利特羅反射鏡，其情況見於圖5的右上角。也可以隻用棱鏡P的一半，在這隻半棱鏡的最後一面鍍銀作為利特羅反射鏡。對於珍貴的材料這樣做最好，大型石英攝譜儀就采用這種結構。

　　分光光度計　是分光計和光度計的結合，用它可以求出光譜中各部分的相對強度，例如測定某物體的反射比按不同波長光的情況。最早的分光光度計出現於1870～1880年間，是目視的，應用旋轉扇片輪，陸末－佈洛洪光度頭或偏振光等辦法作為光度比較的手段。光電和熱電探測器的興起既避免瞭目視的若幹主觀影響，又將觀測范圍擴大到可見光區以外，近半個世紀以來，紅外分光光度計因其便於研究分子結構而獲得重大發展。它是一種考察吸收光譜的儀器。較簡單的型式是單光束分光光度計，工作時一次直接對著光源，另一次在光路中加入所考察的物質，其差別為所求的結果。這種儀器既可能由於光源和探測器的不穩定而產生誤差，再則也比較費時間，於是雙光束分光光度計應運而生。圖5是一種自動記錄儀的安排，其中用凹鏡代替透鏡，是因為不容易找到合適的材料制造透鏡。紅外光源 S發出的光分成兩支：經過凹鏡m₁、m₂的是待測光束，進入樣品池C₁；另一支經過m₂、m₄的是參考光束，進入空池C₂，這支中還有一隻可以進退的調節光度的光楔W，而它是由伺服電動機V帶動的。兩束光繼續前進，待測光束經過m₅，參考光束則經過m₆和m₈，然後都到達扇形鏡m₇。這是一隻半圓形的鍍銀轉盤，可以使兩支光束交替射至m₉和m₁₀，而後會聚在單色器的入射狹縫S₁處。單色器將光分成光譜，轉動利特羅反射鏡m₁₂可使某一波長的準單色光落在出射狹縫S₂上。然後光會聚在探測器D上，它發出信號給伺服電動機V來控制參考光束的強弱，當兩方相等時伺服電動機就靜止下來，這樣就測出樣品的吸收程度。另一方面，m₁₂的轉動也與記錄紙r聯動，於是記錄出來的曲線是吸收對於波長的關系。

　　光柵光譜儀器　在棱鏡所能適用的波段以外常用光柵作為色散元件。光柵的另一優點是它的分辨本領比棱鏡有數量級的提高。分辨本領的公式是R=mN，其中m是光譜級，N是光柵上刻線的總數。光柵儀器的缺點是有鬼線和級的交疊問題，後者可加濾光鏡、棱鏡或其他光柵除去，稱為級次分離器。從前光柵的應用中還常有光能分散不集中的問題，自閃耀光柵問世以來，特別是反射式的小階梯和中階梯光柵，它們已能將光能集中到某一范圍內。先是廣泛用於紅外波段，後來也擴大到可見和紫外區域。一些工作波段較寬的儀器中采取將幾塊光柵交替插入光路的辦法拓寬波段范圍。

　　光柵裝架的方式中最簡單而緊湊的也是利特羅裝架法，如圖6所示。光柵離凹鏡的距離應該等於凹鏡的焦距。另外一種著名的裝架法稱為埃伯特-法斯梯裝架法，如圖7所示。顯然它不如利特羅式緊湊，所用凹鏡比較大，用以使光束平行的是凹鏡的一部分，而再使之聚焦的是另一部分，都是離軸的；由於其對稱性質使前者所形成的像差幾乎正好為後者所抵消。雖然對於消球面像差無能為力，但對提高分辨本領已有很大好處。凹鏡的中部未被利用，卻能造成一些雜散光，所以一種改進形式用兩面凹鏡，這稱為柴爾尼－特納裝架法。這樣做還可以有較多的參變量供選擇。

　　對上述三種裝架法的改進不斷有所探討，例如，對它們采用離軸拋物面鏡代替原來的球面鏡可以取得更好的效果，而埃伯特式幾乎能夠消除所有賽德耳像差。

　　凹光柵是將光柵和凹鏡結合在一起的緊湊器件，這樣做就減少瞭光的反射次數。這種光柵常用於遠紫外波段，因為在這個波段中，各種材料的反射本領都很低。傳統有多種凹光柵的裝架法，它們都以羅蘭圓為基礎。羅蘭圓是在垂直於光柵刻線並通過光柵球面中心的平面內作一圓，它與光柵中心相切，而其直徑等於光柵的半徑。這個圓具有的特性為:如果光源放在圓周的某一點上，光經過凹光柵衍射後會聚焦於該圓周的另一點上。凹光柵適用於遠紫外區域，因此要裝在真空中。但真空中調節儀器不方便，傳統裝架法於是采取攝譜儀的形式，拍照時不必調節，當要求對光譜范圍作較大變動時才需要調節。

　　現代光譜儀器中常見單色器，要有一個經常轉動的部分，舊式裝架法不夠方便。20世紀50年代以來，日本科學傢提出瞭一些便於作單色器的辦法，其中以瀨谷-波岡裝架法為最著名（圖8）。這裡的光柵 G轉動軸通過其刻線表面並平行於刻線。當光柵轉動時入射與出射狹縫已不在羅蘭圓上（虛線），但如入射與出射的主光線間夾角取為70°30′，則對於較寬波段像差不太大。此法在機械上的簡便性已使其應用於商業儀器上。

　　幹涉光譜儀器　以光的幹涉作為分光手段的光譜儀器。各種幹涉儀中，最常使用的是法佈裡－珀羅幹涉儀，它使用方便而且由多次反射可造成很窄的光譜線。它與棱鏡和光柵光譜儀器不同，不需入射狹縫，而以擴展光源直接射至儀器，於是由等傾幹涉的方式將不同波長的光形成不同大小的幹涉環。可是圓環或圓孔作為出射狹縫。

　　幹涉光譜儀器的分辨本領也是R＝mN，式中的m仍是光譜級，N 則為參加幹涉的光束數，在光柵中，m總不能太大，即使是中階梯光柵，m的數量級也隻是10²～10³，但幹涉光譜儀器可以達到10⁵。因此幹涉光譜儀器的分辨本領很高，不過m甚大意味著級的交疊也嚴重。但幹涉儀器的考察對象是譜線的精細結構或譜線本身的形狀等問題，於是不妨令其隻有很窄的波段進入幹涉儀。例如，用一臺單色器或用另一個間隙厚度不同的法佈裡－珀羅標準具作為級次分離器。

　　幹涉光譜儀器的一種較新發展見傅裡葉變換分光計。