定義與發展歷程

• 定義：光譜儀，又稱分光儀、光譜分析儀、光學分光計，是將成分復雜的復合光分解為光譜線進行測量和計算的光學儀器，主要用于測定光的波長、頻率、強度、輪廓、寬度及其變化規律等。

• 發展歷程：1666 年，牛頓在玻璃三棱鏡分光實驗中發現太陽光譜。1814 年，夫瑯禾費設計制成分光裝置。1859 年末，克希霍夫與本生制成第一臺結構完整的光譜分析儀器。此后，光譜儀不斷發展，1918 年美國研制出紫外 - 可見光分光設備，1928 年德國蔡司廠推出第一臺商品化攝譜儀，1944 年出現光電法代替攝譜法等，逐漸進入自動化、光電化階段。中國的光譜儀發展始于 1949 年后，現已建立起完善的研究、設計、生產體系。

工作原理

• 基本原理：應用光學原理，通過光源和照明系統提供光，準直系統將光變為平行光，色散系統把復合光分解為光譜，聚焦成像系統將色散后的光會聚或成像在焦平面上，檢測記錄和顯示系統測量和記錄光譜的相關信息，從而對物質的結構和成分等進行測量、分析和處理。

• 光譜分析原理：不同元素的原子具有特定的能級結構，當原子受到能量激發時，外層電子從基態躍遷到激發態，處于激發態的原子不穩定，會躍遷回基態或較低能級，同時釋放出特定波長的電磁波，形成特征光譜線。通過識別這些特征光譜線可進行元素的定性分析，依據譜線強度可進行定量分析。

基本組成

• 光源和照明系統：在研究發射光譜時，光源發生器如氣體火焰等激發試樣獲得光譜；研究吸收、喇曼、熒光光譜時，光源用于照射或激發被研究物質。照明系統則盡可能會聚光源輻射的光能量，并傳遞給儀器。

• 準直系統：一般由入射狹縫和準直物鏡組成，入射狹縫成為實際光源，限制進入儀器的光束，其位于準直物鏡焦平面上，使發出的光束經準直物鏡后成為平行光投向色散系統。

• 色散系統：將入射的復合光分解為光譜，主要有物質色散（如光譜棱鏡）、多縫衍射（如光柵）、多光束干涉（如法布里 - 珀涉儀）三類作用原理。

• 聚焦成像系統：把空間上色散開的各波長光束會聚或成像在像物鏡的焦平面上，形成分立的線狀光譜、小波段范圍連續的帶狀光譜或大范圍內連續的連續光譜。

• 檢測記錄和顯示系統：接受各光譜元的信號，測量其波長、強度等組成，并記錄和顯示成為光譜圖，接收系統包括目視接受系統、感光材料接受系統和光電探測系統。

應用領域

• 科研領域：在物理、化學、天文學等學科中，用于研究物質的結構、特性和相互作用，如分析原子、分子的能級結構，研究天體的化學成分和物理狀態等。

• 工業領域：在冶金行業可分析金屬材料的成分；石油化工行業用于油品質量檢測、化工原料分析等；電子工業中可檢測半導體材料的特性、鍍膜厚度等。

• 環境監測：用于檢測空氣中的污染物成分、水質中的重金屬含量、土壤中的有害物質等，為環境保護和治理提供依據。

• 生物醫學領域：可用于血液、尿液等生物樣本的成分分析，疾病診斷，藥物研發過程中的成分鑒定和質量控制等。

• 農業領域：可分析土壤養分、農作物的化學成分，幫助優化施肥方案、監測農作物生長狀況和品質等