1．分光系统的作用及构成

从发射光谱光源中发射出的光谱是多条谱线的组合，分析每种元素的含量，仅需采用有限的、较窄的波长谱带。因而为了对不同元素的发射谱线进行分析测定，必须对获得的谱线集合，按波长的差别进行色散而将其分开排布，一进行定性分辨，然后测定谱线强度进行定量分析。

分光系统的主要作用是将从光源发射出的具有各种波长的辐射，借助于棱镜或光栅作为单色器，将辐射按波长顺序展开，而获得光谱。

用于紫外、可见、红外光区的单色器，在机械结构上都是相似的，它们主要由以下五个部件组成。

①入射狭缝：调节入射光的强度。

②准直装置：经准直透镜使入射光束转换成平行光束。

③色散装置：经过三棱镜或光栅，使不同波长的辐射，经折射或衍射，以不同的角度再次辐射。

④聚焦装置：通过聚焦透镜(或称成像物镜)或凹面反射镜，使每个单色光束在单色器的出口曲面上成像。

⑤出射狭缝：调节出射光的波长和强度。

2．分光系统的色散性能参数

分光系统的色散性能参数为线(角)色散率、分辨率和聚光本领。

(1)线色散率表示在聚焦面上，波长相差dλ的的两条光线被分离开的距离dι，用L表示：

在实际工作中，常用倒线色散术语，即，表示在每毫米距离内可容纳的波长数，单位为nm/mm。

角色散率：表示在聚焦面上，波长相差山的两条光线，衍射角为φ，其经衍射后被分开的角度，用光栅的角色散率A表示：

式中，m为衍射光谱的级数；d为光栅常数。cosφ随波长λ变化并不大，所以光栅的色散几乎呈线性。

(2)分辨率表示单色器对波长相差dλ的相邻两条谱线的分辨能力，用R表示：

为两条相邻谱线的平均波长。R是单色器能正确分辨波长相差极小的两条谱线的能力。

通常单色器的线色散率愈大，其分辨率也愈大。

(3)聚光本领表示单色器光学系统传递辐射能量的本领。常用当入射狭缝光源亮度为一个单位时，在聚焦面上单位面积所获得的辐射通量。

聚光本领与准直透镜的直径D和焦距F比值的平方(D/F)²成正比，通常可用参数f = F/D来表达单色器收集从入射狭缝进入光辐射的能力。它与入射狭缝的宽度无关。一个单色器的聚光本领是随f值的负平方面增加的，因此的集光本领比大四倍。大多数单色器的f值在1～10范围以内。

3．棱镜分光

按使用的棱镜材料的不同可分为玻璃棱镜、石英棱镜和萤石棱镜，它们可分别摄得可见光区、紫外光区和真空紫外光区的全部或部分光谱线。棱镜摄谱仪的工作原理主要是利用棱镜对不同波长光的折射率不同来进行分光，它的光学系统由照明、准光、色散及聚焦四部分组成，如图3-13所示。

4．光栅分光

光栅分光可使用平面光栅、中阶梯光栅、凹面光栅和全息光栅。

(1)平面光栅(或称平面反射光栅)

它利用光的衍射现象进行分光。在平面基板上，采用专门磨制的刻划刀，加工出密集的沟槽，将光栅刻制成为槽面与光栅平面成一确定角度的闪耀光栅，使衍射的辐射强度集中在所需要的波长范围内，其形状如图3-14所示。

图3-13 棱镜摄谱仪光学系统图
照明：B-光源，L-照明透镜；准光：S-入射狭缝，O₁-准直透镜；
色散：P-棱镜；聚焦：O₂-聚焦透镜，F-出射狭缝

在光的照射下每条刻线都产生衍射，各条刻线所衍射的光又会互相干涉，这些按波长排列的干涉条纹，就构成了光栅光谱。

(2)中阶梯光栅中阶梯光栅与平面反射光栅相比较，它在宽度上更宽，在光栅上的刻线密度较小，如10～80条/mm，但刻槽的深度大，衍射角φ更大，达60^o以上；入射角θ大于45^o，光栅常数d为微米(um)数量级，常用衍射光谱级数达m=20～200。每个刻线阶梯的宽度比刻槽的深度大几倍，从而可得到高分辨率R和大的线色散率L。反射型中阶梯光栅的分光原理见图3-15。

图3-14平面反射光栅的衍射
d-光栅常数；N-光栅法线；1,2-入射光束；1',2’-衍射光束；θ-入射角；φ-衍射角

图3-15中阶梯光栅的衍射
d-光栅常数；N-光栅法线；I-入射光束；1'-衍射光束；θ-入射角；φ-衍射角φ≈θ

中阶梯光栅利用很大的衍射光谱级数，宽的光栅宽度和大的衍射角θ(≈θ)，从而可以提供更高的分辨率。它在各级的衍射光谱中的线色散率皆不相同，其对短波长色散率高，对长波长色散率低。

当使用中阶梯光栅时，由于衍射光谱的级数很高，从而产生衍射谱线的重叠十分严重，为了防止谱线的重叠，常使用二维色散系统，即当使用中阶梯光栅作为主色散系统在x轴方向进行色散后，再在y轴方向用一个石英棱镜作为副色散系统，对不同级数的谱线进行再次分级展开，由于谱线的色散方向和谱线展开方向构成正交，就在聚焦面上形成一个二维谱线的图像。由于每级衍射光谱中覆盖的谱线的波长范围较窄，对从紫外光区到近红外光区的谱带，需用近百个级数的衍射光谱才能覆盖，为将重叠的各级谱带分开，通常在中阶梯光栅光路之后，安装一个棱镜副色散系统，如图3-16所示。因二维衍射光谱图像占据聚焦面的面积很小，常用电视摄像管作为检测器来监测衍射谱线。

图3-16中阶梯单色器

由于中阶梯光栅具有强大的色散能力，高分辨率，适用的波长范围宽，谱线具有高的光强度，它现已获得愈来愈广泛的应用。

表3-3列出使用平面反射光栅和中阶梯光栅的两种原子发射光谱仪的性能比较，由表中可看到中阶梯光栅仪器的理论分辨率远高于平面反射光栅的仪器。

表3-3使用平面光栅和中阶梯光栅的两种AES仪器的性能比较

(3)凹面光栅凹面光栅是一种反射式衍射光栅，它在球面反射镜上，沿其弦上刻划出等距离、等深度的平行刻痕线，构成分光装置，当光束射入后它又通过自身的凹面镜代替聚焦物镜，并将衍射光线聚焦在出射狭缝上，并用光电检测元件进行监测。

此光栅的入射狭缝，安置在以凹面光栅曲率半径r作为直径构成的圆周上的任意位置点上，并与光栅的中心点相切，入射光束经凹面光栅衍射后的光谱，一定落在此圆周入射狭缝的同侧，而构成一个称为“罗兰圆”(Rowlanel circle)的图示中，见图3-17。罗兰圆的直径为0.5～1.0m。凹面光栅的入射狭缝和出射狭缝在罗兰圆的同一侧，而凹面光栅自身位于罗兰圆的另一侧。

图3-17凹面光栅分光装置
组成的“罗兰圆”
S-入射狭缝；G-凹面光栅的中心点；P1～P4-与衍射光出射狭缝对应的光电检测元件

凹面光栅的特点是它既作为色散元件，同时又起到聚焦物镜和成像系统的多重作用，从而简化了分光系统的结构，并可在＜195nm的紫外光区波段内工作，并易干实现原子发射光谱仪的小型化。

(4)全息光栅它是利用全息照相原理制作的光栅。

在各种光栅制作中采用机械刻制时，由于刻划机械运作时，会产生周期性或非周期性误差，而使刻线不能完全等距，会造成衍射光谱中出现“鬼线”而干扰原子发射光谱的正常工作。

现已知激光的单色性好，可利用单色激光的双光束干涉图来制作光栅，可获得大面积、等距、等宽的清晰干涉条纹，应用全息光栅制造技术，可复制这些清晰条纹，就可制作出实用、色散性能好的各种形式(平面或凹面)光栅。

全息光栅的制造方法简述如下：首先在预先磨平的玻璃片基体上，涂上一层给定厚度的光敏高聚物薄膜，将其放入由单色激光双光束干涉产生干涉条纹的感光室内、曝光后，光敏膜上获干涉条纹的图像，定影后，将其置于特制的溶液中，溶去已感光的光敏聚合物，在玻璃基体上留下全部与干涉条纹明暗相间、具有一定面积和形状的槽线。再将显影后的玻璃基体放入真空镀膜机中，在玻璃背面镀上可反射光束的铝膜，再涂上保护膜后，就制成全息光栅。此全息光栅比机械刻制光栅容易制作，且成本低。现已可在50 cm玻璃片上制出6000条/mm的衍射光栅。