解读光谱仪如何把光拆开读出光的成分的

一束阳光看着是白的，实际上混着从红到紫的许多种波长。想知道里面到底有哪些成分、各占多少，靠眼睛办不到——得把它按波长摊开。干这件事的仪器叫光谱仪。

摊开的办法本质上只有两种：一种靠折射，让不同波长走不同的路；另一种靠衍射，让不同波长拐不同的角。前者是棱镜，后者是光栅。两种路线至今并存，各有各的地盘。

这一篇顺着「怎么拆、怎么搭、怎么读」走一遍，说说各自的脾性和容易踩的坑。

一、两种拆法：一种靠折射，一种靠衍射

棱镜的路子最古老。材料的折射率随波长变，波长越短折射率越大，于是在界面上偏折得更厉害。白光进去，紫光拐得最狠、红光最平缓，出来就扇成一片。

光栅则是另一套逻辑。它表面刻着密密麻麻的平行刻线，光穿过或反射后，各条刻线发出的次波互相干涉——只有在某些特定方向上干涉加强，其他方向都抵消掉。而加强的方向取决于波长，于是不同波长各自朝不同方向去了。

图1：一种靠折射，一种靠衍射

两者的差别决定了各自的地盘。棱镜没有多级、不会重叠，但色散是非线性的——长波那一头挤成一团，短波这一头又拉得太开，波长标定起来麻烦。光栅的色散接近线性、分辨率能做得很高，代价是存在多级衍射，容易重叠。

选材上也有讲究：紫外波段常用棱镜或反射光栅，可见与近红外则大多是光栅的天下。至于光栅的硬指标刻线密度，每毫米几百到几千条不等——刻线越密，同样角度差对应的波长差越小，分得越细；但太密了可用波段会变窄，还更容易撞上多级重叠。

二、棱镜：折射率随波长变

棱镜背后是那个熟悉的经验公式n(λ) = A + B/λ²。波长 λ 越小，折射率 n 越大，光在界面上偏折得越厉害。

这个平方关系带来一个后果：色散在短波端特别剧烈，长波端则平缓得多。用棱镜做光谱仪，红端那一大段波长会被压缩在很小的角度范围里，紫端则摊得很开——标定曲线因此是弯的，不是直线。

棱镜有个光栅比不了的好处：没有多级衍射。它只产生一束分光后的光，干干净净，不用担心哪个波长和另一个撞车。加上结构简单、没有刻线带来的杂散光，在某些讲究信噪比的场合反而更受欢迎。

三、光栅：靠干涉挑方向

光栅的行为由那个方程管着：d(sinα + sinβ) = mλ。其中 d 是刻线间距，α 是入射角，β 是衍射角，m 是衍射级次（0、±1、±2……）。

图2：角度怎样对应波长

式子里最要紧的是 m。m = 0 时所有波长都朝同一方向走，等于没分光——这是零级。真正干活的是 ±1 级，能量也主要集中在这里。

麻烦也出在 m 上：同一角度下，λ 的一级与 λ/2 的二级会落在同一位置。这就是多级重叠——光谱图上某个峰，可能根本不是你想的那个波长。

对付它有三招。最省事的是加滤光片，把不该出现的级次挡在门外；讲究一点用闪耀光栅，把刻槽做成特定角度，让能量集中到某一级，其他级自然就弱了；还有一招是限制波段，仪器本身按窄波段设计，撞车的概率自然小。

四、光谱仪内部：五步走完

不管用棱镜还是光栅，一台光谱仪内部的光路大致是同一个套路，五步走完。

图3：五步走完

第一步是入射狭缝。它决定进多少光，也决定最终的分辨率——狭缝越窄，成像越清晰，但进光越少、信号越暗。这是光谱仪里最基础的一对矛盾。

第二步准直。从狭缝出来的光是发散的，得先用凹面镜把它变成平行光，后面光栅才好按角度分光。

第三步就是色散，核心环节，把不同波长甩到不同角度上。

第四步聚焦，把分开的各路光聚到探测器阵列的不同位置。

第五步探测——阵列上每个像素对应一个波长，读出的强度就是该波长的分量。

有一个细节容易忽略：像素位置与波长的对应关系是靠标定确定的。仪器出厂时标一次，之后得定期用标准谱线（比如汞灯、氖灯的已知谱线）再校一遍。温度漂移、机械位移都会让这个对应关系慢慢跑掉。

五、分辨率：多近的两条线还能分开

光谱仪最核心的指标是分辨率——两个波长差多小的时候，还能被数成两条而不是一条。通常用 R = λ/Δλ 表示，也有直接标 Δλ 的（比如 0.1 nm）。

图4：多近的两条线还能分开

判断「分开了没有」有个经典约定，叫瑞利判据：当一个峰的峰顶正好落在另一个峰的第一零点上时，算刚好能分辨。此时中间的谷大约是峰高的 81%，肉眼看着还有明显凹陷。

影响分辨率的主要是三件事。狭缝越窄分得越细，但进光越少、越暗；光栅刻线越密色散越强；聚焦镜焦距越长，谱线在阵列上摊得越开。三者的取舍，本质上是用光通量换分辨率——想要又亮又细，就得在其他地方下本钱。

六、拿到一张光谱，能读出这几个数

光谱图画出来是强度对波长的曲线。从这张图上能读出的信息，常用的有这几个。

图5：能读出这几个数

最直白的是峰值波长——曲线最高点对应的波长。对单色光源来说这就是它的中心波长。

常看的还有半高宽 FWHM：峰高一半处的宽度。它描述这束光有多纯——激光的半高宽可以做到几兆赫兹甚至更窄，而发光二极管往往有几十纳米。半高宽越窄，说明波长越单一。

再一个是边模抑制比：主峰与最高边模之比，用 dB 表示。激光器尤其看重这个数——旁边冒出一个不该有的峰，说明腔里还有别的模式在振荡。

还有两件事必须留意。一是波长标定：像素位置与波长的对应关系靠标准谱线定，要定期校准。二是强度校准：探测器对不同波长的响应本来就不一样，想看真实的光谱形状，得先除掉这条响应曲线。另外动态范围是个硬指标——太强的峰会通过杂散光淹没旁边的弱峰，测弱信号时这一点特别要命。

七、测波长该拿哪台

同样是「测波长」，不同设备干的事差别很大，别拿混了。

光谱分析仪看的是整条光谱的强度分布，是最-常-用的一种；波长计则只测中心波长，但测得极准——干涉式的能到几兆赫兹精度，代价是看不了完整的谱形。

单色仪的特别之处在于，它输出的是光而不是数据：从宽谱里挑出一个窄带单色光，供后面的实验用。光纤光谱仪胜在小巧、接光纤即用，指标比台式的弱一些，胜在方便。

到了窄线宽测量，就得请干涉仪出场——它测的是线宽和相干长度，自由光谱范围和精细度是两个关键数。至于功率计，它只测总功率、完-全不分波长，想看成分还得上光谱仪。

图6：测波长该拿哪台

光谱仪通常按波段分——可见、近红外、中红外各配一套光栅与探测器，材料与镀膜都不一样。买之前先确认波段，别拿到手才发现对不上。还有成像光谱仪，每个像素都带一条谱，把空间信息和波长信息一起测了，在遥感与显微里很吃得开。

八、总结

光谱仪做的事情说到底很朴素：把混在一起的光，按波长摊成一条，然后数一数每个位置有多亮。

拆光只有两条路——棱镜靠折射率随波长变，光栅靠干涉挑方向，前者无多级但非线性，后者线性且分辨率高但要防重叠；

一台光谱仪内部走完狭缝、准直、色散、聚焦、探测五步，狭缝越窄分得越细却也越暗；

而读光谱要看的是峰值波长、半高宽与边模抑制比，读数前先确认波长和强度都校准过。

有意思的是，这台仪器里最贵的未必是核心的色散元件。光栅本身不算贵，真正花钱的地方往往在探测器阵列、低杂散光的设计，以及那条能把位置精确对应到波长的标定曲线上。

下次觉得测出来的谱不对劲，不妨先查这几样：波长标定过期没有、狭缝是不是开太大、有没有强峰把弱峰淹了、以及会不会撞上了多级衍射。多半就在这几步里。