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光波分光计

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有关此主题的更广泛信息，请参见：光度学。
光栅光谱仪示意图
光栅光谱仪的内部结构：光线从左侧发出，在中间上方的反射光栅上绕射，然后通过右上角的狭缝选择光的波长。

光波分光计（英语：optical spectrometer、spectrophotometer、 spectrograph、或spectroscope）是一种用于量测电磁波谱特定部分光特性的仪器，通常用于光谱分析以识别资料[1]。量测的变数通常是光的辐照度，但也可能是偏振状态。引数通常是光的波长或一个紧密汇出的物理量，如相应的波数或光子能量，量测的单位分别以厘米、长度倒数（英语：Reciprocal length）或电子伏特等表示。

光谱仪用于光谱学中，用于产生谱线并量测其波长和强度。光谱仪可以在广泛的非光学波长范围内工作，从伽马射线和X射线到远红外线。如果仪器被设计为在绝对尺度（英语：Absolute scale）而不是相对尺度上量测光谱，那么它通常被称为分光光度计。大多数分光光度计用于可见光谱附近的光谱区域。

为量测入射光功率而校准的光谱仪称为分光辐射计（英语：Spectroradiometer）[2]。

一般来说，由于用于量测光谱不同部分的科技不同，任何特定仪器都只会在总范围的一小部分上运行。在光学频率以下（即微波和无线电频率），频谱分析仪是一种密切相关的电子设备

光谱仪用于许多领域。例如，它们在天文学中用于分析物体的辐射并推断其化学成分。光谱仪使用棱镜或光栅将光展开成为到光谱。这使得天文学家能够通过其特征谱线检测到许多化学元素。这些谱线以引起它们的元素命名，如氢α、β和γ线。发光物体将显示明亮的光谱线。暗线是由吸收产生的，例如光线穿过气体云，这些吸收线也可以识别化合物。我们对宇宙化学组成的大部分知识都来自光谱。

分光镜

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分光镜
（Spectroscope）
其他名称Spectrograph
相关事物质谱仪
不同绕射分光镜的比较：反射光学、折射光学、光纤/集成光学[来源请求]。

分光镜经常用于天文学和化学的一些分支。早期的分光镜只是带有刻度标记波长的三棱镜。现代的分光镜通常使用绕射光栅、可移动的狭缝和某种光电探测器，所有这些都由电脑控制，是自动化的。最近的进展表明，在一系列没有绕射光栅的小型分光镜中，计算演算法的依赖性越来越高，例如，通过在CCD晶片上使用基于量子点的滤波器阵列[3]或者在单个纳米结构上实现的一系列光电探测器[4]。

约瑟夫·夫朗和斐（德语：Joseph von Fraunhofer）通过将棱镜、绕射狭缝和折射望远镜相结合，开发了第一台现代分光镜，提高了光谱分辩率，并可在其它实验室中复制。夫朗和斐还发明了第一台绕射分光镜[5]。古斯塔夫·克希荷夫（德语：Gustav Robert Kirchhoff）和罗伯特·威廉·本生（德语：Robert Bunsen）发现了分光镜在化学分析中的应用，并利用这种方法发现了铯和[铷]][6][7]。克希荷夫和本生的分析也为恒星光谱提供了化学解释，包括夫朗和斐谱线[8]。

当材料被加热到白炽时，它会发出光，这是材料原子组成的特征。 特定的光频率会在尺规上产生清晰定义的条带，可以将其视为指纹。例如，钠元素在588.9950和589.5924奈米处有一个非常典型的双黄色带，称为钠D线，其颜色对任何见过低压钠灯的人来说都很熟悉。

在19世纪初的原始分光镜设计中，光线进入狭缝，然后准直透镜将光转化为一束细细的平行光束。然后，光穿过棱镜（在手持分光镜中，通常是阿米西棱镜），因为不同的波长由于色散有不同的折射量，该棱镜将光束折射成光谱。接著可以通过一根带有刻度的管子观察这张影像，管子上的刻度被转置到光谱影像上，从而可以直接量测。

随著摄影胶片的发展，更精确的分光镜被创造出来。它基于与分光镜相同的原理，但它有一个摄像头代替了观察管。近年来，围绕光电倍增管构建的电子电路已经取代了相机，从而能够以更高的精度进行实时光谱分析。在光谱系统中，光电感测器阵列也取代了胶片。这种光谱分析或光谱学已成为分析未知物质成分、研究天文现象和检验天文理论的重要科学工具。

在紫外、可见光和近红外光谱范围的现代光谱仪中，光谱通常以每单位波长（nm或μm）、波数（μm−1，cm−1）、频率（THz）或能量（eV）的光子数形式给出，并在横坐标标示单位。在中红外到远红外光中，光谱通常以瓦特每单位波长（μm）或波数（cm−1）为单位表示。在许多情况下，频谱显示时隐含了单位（例如每个频谱通道的“数位计数”）。

可见光分光镜常用的四种横坐标类型的比较。
红外光分光镜常用的四种横坐标类型的比较。

在宝石学中

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宝石学家经常使用分光镜来确定宝石的吸收光谱，从而使他们能够推断出他们正在检查的是哪种宝石[9]。宝石学家可以将他们观察到的吸收光谱与各种宝石的光谱目录进行比较，以帮助辨认宝石的确切身份。

摄谱仪

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一种基于棱镜的非常简单的分光镜。
KMOS摄谱仪[10]。
捷克共和国Ondřejov捷克天文研究所的水平太阳摄谱仪

摄谱仪是一种按波长分离光并记录这些数据的仪器[11]。摄谱仪通常具有多通道探测器系统或相机，用于探测和记录光谱[11][12]。

1876年，亨利·杜雷伯（英语：Henry Draper）发明了这种设备的最早版本，他也首次使用了这个术语，并用它拍摄了几张织女星光谱的照片。这种最早版本的摄谱仪使用起来很麻烦，也很难管理[13]。

根据波的精确性质，有几种机器被称为“摄谱仪”。第一架摄谱仪使用相纸作为探测器。 植物颜料的光敏素是使用活体植物作为检测器的摄谱仪发现的。最近的摄谱仪使用电子探测器，如CCD，可用于可见光和UV光。探测器的确切选择取决于要记录的光的波长。

摄谱仪有时被称为多色仪，与单色仪类似。

恒星和太阳摄谱仪

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恒星光谱分类以及主序列、哈伯定律和哈伯序列的发现都是用使用相纸的摄谱仪完成的。韦伯太空望远镜包含近红外摄谱仪（英语：NIRSpec）（NIRSpec）和中红外摄谱仪（英语：Mid-Infrared Instrument）（MIRI）。

阶梯光栅摄谱仪

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基于分级光栅的摄谱仪使用两个绕射光栅，它们彼此旋转90度并靠近放置。因此，使用入口点而不是狭缝，CCD晶片记录光谱。两个光栅都留有很宽的间距，其中一个是闪耀的，只有第一阶可见，另一个也是闪耀的但可见更高阶，因此CCD可以获得非常精细的光谱。

无缝摄谱仪

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在传统摄谱仪中，在光束中插入狭缝以限制色散方向上的影像范围。无缝摄谱仪省略了狭缝；这导致影像沿著色散方向将影像资讯与光谱资讯进行折积。如果场不够稀疏，那么影像场中不同来源的光谱将重叠。交易是，无缝摄谱仪可以比扫描传统摄谱仪更快地产生光谱成像（英语：Spectral imaging）。这在诸如太阳物理学之类的应用中非常有用，因为在这些应用中，时间演化很重要。

相关条目

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参考资料

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  1. ^ Butler, L. R. P.; Laqua, K. Nomenclature, symbols, units and their usage in spectrochemical analysis-IX. Instrumentation for the spectral dispersion and isolation of optical radiation (IUPAC Recommendations 1995). Pure Appl. Chem. 1995, 67 (10): 1725–1744. S2CID 94991425. doi:10.1351/pac199567101725 可免费查阅. A spectrometer is the general term for describing a combination of spectral apparatus with one or more detectors to measure the intensity of one or more spectral bands. 
  2. ^ Schneider, T.; Young, R.; Bergen, T.; Dam-Hansen, C; Goodman, T.; Jordan, W.; Lee, D.-H; Okura, T.; Sperfeld, P.; Thorseth, A; Zong, Y. CIE 250:2022 Spectroradiometric Measurement of Optical Radiation Sources. Vienna: CIE - International Commission on Illumination. 2022. ISBN 978-3-902842-23-7. 
  3. ^ Bao, Jie; Bawendi, Moungi G. A colloidal quantum dot spectrometer. Nature. 2015-07-01, 523 (7558): 67–70. Bibcode:2015Natur.523...67B. ISSN 1476-4687. PMID 26135449. S2CID 4457991. doi:10.1038/nature14576 （英语）. 
  4. ^ Yang, Zongyin; Albrow-Owen, Tom; Cui, Hanxiao; Alexander-Webber, Jack; Gu, Fuxing; Wang, Xiaomu; Wu, Tien-Chun; Zhuge, Minghua; Williams, Calum; Wang, Pan; Zayats, Anatoly V. Single-nanowire spectrometers. Science. 2019-09-06, 365 (6457): 1017–1020. Bibcode:2019Sci...365.1017Y. PMID 31488686. S2CID 201845940. doi:10.1126/science.aax8814 可免费查阅. 
  5. ^ Brand, John C. D. Lines of Light: The Sources of Dispersive Spectroscopy, 1800–1930. Gordon and Breach Publishers. 1995: 37–42. ISBN 978-2884491624. 
  6. ^ Weeks, Mary Elvira. The discovery of the elements. XIII. Some spectroscopic discoveries. Journal of Chemical Education. 1932, 9 (8): 1413–1434. Bibcode:1932JChEd...9.1413W. doi:10.1021/ed009p1413. 
  7. ^ Robert Bunsen. infoplease. Pearson Education. 2007 [2011-11-21]. 
  8. ^ Brand 1995，第63页
  9. ^ Spectroscope - The Gemology Project. gemologyproject.com. [2022-01-04]. 
  10. ^ Powerful New VLT Instrument Arrives in Chile. ESO Announcement. [11 October 2012]. 
  11. ^ 11.0 11.1 Spectrometer, Spectroscope, and SpectrographExcerpt from Field Guide to Spectroscopy. 
  12. ^ 国际纯化学和应用化学联合会，化学术语概略，第二版。（金皮书）(1997)。在线校正版: (2006–) "spectrograph"。doi:10.1351/goldbook.S05836
  13. ^ George Barker, Memoir of Henry Draper, 1837-1882 (PDF): 103 

参考文献

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  • J. F. James and R. S. Sternberg (1969), The Design of Optical Spectrometers (Chapman and Hall Ltd)
  • James, John (2007), Spectrograph Design Fundamentals (Cambridge University Press) ISBN 0-521-86463-1
  • Browning, John (1882), How to work with the spectroscope : a manual of practical manipulation with spectroscopes of all kinds
  • Palmer, Christopher. Diffraction Grating Handbook 8th. MKS Newport. 2020. 

外部链接

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