12:55:52
第三节
光谱法仪器与光
学器件
一,光谱法仪器的基本流程
general process of spectrometry
二,光谱仪器的基本器件
main parts of spectrometry
第二章
光分析导论
an introduction to
optical analysis
instruments for spectro-
metry and optical parts
12:55:52
一,光分析法仪器的基本流程
general process of spectrometry
光谱仪器通常包括五
个基本单元：
光源；单色器；样品；检
测器；显示与数据处理；
12:55:52
二,光分析法仪器的基本单元
main parts of spectrometry
1,光源
依据方法不同, 采用不同的光源：火焰, 灯, 激光, 电
火花, 电弧等；依据光源性质不同, 分为：
连续光源,在较大波长范
围提供 连续波长 的光源,
氢灯, 氘灯, 钨丝灯等；
线光源,提供 特定波长 的
光源, 金属蒸气灯 (汞灯
,钠蒸气灯 ),空心阴极
灯, 激光等；
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2.单色器
单色器,将复合光 分解 成 单色 光或有 一定宽度 的谱带的装
置 。
主要部件,
（ 1） 进出口狭缝；
（ 2） 准直装置 (透镜或反射镜 )：使辐射束成为平行光线；
（ 3） 色散元件 (棱镜, 光栅 )：使 不同波长 的辐射以 不同 的
角度 进行传播；
12:55:52
12:55:52
棱镜 — 根据光的折射现象进行分光
棱镜对不同波长的光具有不同的折射率, 波长 长 的光,
折射率 小 ；波长 短 的光, 折射率 大 。
平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦
后在焦面上的不同位置上成像, 获得按波长展开的光谱；
棱镜的 光学特性 可
用 色散率 和 分辨率
来表征 ；
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棱镜的特性与参数
（ 1） 色散率
角色散率,用 dθ/dλ表示, 表示 偏向角 θ对波长的变化率；
??
?
?
?
d
d
2
s in1
2
s in2
d
d
22
n
n
?
?
?
棱镜的 顶角 α 越大或 折射率 n越大, 角色散率越
大, 分开 两条 相邻 谱线的能力 越强, 但 顶角越大,
反射损失也增大, 通常为 60度角；
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（ 2）分辨率
相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：
??
?
d
d nbR ??
??
,两条相邻谱线的平均波长；△ λ,两条谱线的波长差；
b,棱镜的底边长度； n,棱镜介质材料的折射率。
所以，棱镜的 分辨能力 取决于棱镜的 几何尺寸 和 材料 ；
?
分辨率与波长有关, 长 波的分辨率要比短波的分辨率 小,
棱镜分离后的光谱属于 非均排光谱 。
12:55:52
光栅 (p79)
通过在平板 玻璃 或 金属板 上刻
划出一道道 等宽, 等间距 的刻痕
制成 。 常用的光栅刻痕密度每毫
米为 1200条, 1800条或 2400条；
根据工作方式不同分为：
透射光栅, 反射光栅；
光栅光谱的产生是多狭缝 干
涉 与单狭缝 衍射 共同作用的结果
,前者决定光谱出现的 位置, 后
者决定 谱线强度分布 ；
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光栅的色散原理
光栅公式, d (sinα± sinθ)=Kλ
α,θ分别为入射角和衍
射角；
K为光谱级次,K=0,± 1,
± 2,… 整数
d为光栅常数 (mm):相邻
两刻痕间的 距离, 即为光
栅刻痕密度 b（ mm-1)的
倒数；
λ为衍射光的波长
12:55:52
光栅公式 d (sinα± sinθ)=Kλ
dsinα为相邻入射光波 Ⅰ 与 Ⅱ 的光
程差；
dsinθ为相邻衍射光波 Ⅰ ’与 Ⅱ ’的光
程差；
d (sinα± sinθ)为光波 Ⅰ Ⅰ ’与光波
Ⅱ Ⅱ ’的总光程差；
加 号表示衍射光和入射光在光栅法
线的 同 侧, 减 号表示它们在光栅法
线的 异 侧；
当一束复合光以一定的入射角 α照
射光栅时, 不同波长 的单色光在 不
同衍射角 θ的方向发生干涉 。
在某一光谱级次中
,即当 K,α,d一定时,
波长 愈 长 的单色光, 衍
射角 愈 大 。 对于给定的
光栅, 可以通过旋转光
栅转台来获得需要的波
长范围和光谱级次 。
12:55:52
光栅的参数：
光栅的特性可用 色散率 和 分辨率 来表征, 当入射角不变
时, 光栅的 角色散率 可通过对光栅公式求导得到：
??
?
c o sd
K
d
d ?
dθ/dλ为衍射角对波长的变化率, 即光栅的角色散率 。
当 θ很小, 且变化不大时, cosθ ≈1,光栅的角色散率 决
定于 光栅常数 d 和光谱级数 K, 常数, 不随波长改变, 均排
光谱 （ 优于棱镜之处 ） 。
角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器
的焦距有关 。
12:55:52
光栅的 线色散率
d
fK
d
fK
f
d
d
d
dl ?
?
?
???
??
?
? c o s
f 为会聚透镜的 焦距 。
倒线色散率,用 dλ/dl 表示,dλ/dl 值越大，
色散率越小
12:55:52
光栅的 分辨能力
光栅的分辨能力根据
Rakleigh准则来确定 。
等强度的两条谱线 （ I,II） 中, 一条 （ II） 的衍射最大
强度落在另一条的第一最小强度上时, 两衍射图样中间的
光强约为中央最大的 80%,在这种情况下, 两谱线 中央最大
距离 即是光学仪器 能分辨的最小距离 （ 可分离的最小波长
间隔 ） ；
12:55:52
光栅的 分辨率 R
光栅的分辨率 R 等于光谱级次 （ K） 与光栅刻痕条数 （ N）
的乘积：
NKR ???? ??
光栅越宽, 单位刻痕数越多, R 越大 。
如宽度 50mm,N=1200条 /mm，
一级光谱的分辨率：
R=1× 50× 1200=6× 104
12:55:52
例,用 dn/dλ =1.3× 10-4nm-1的 60° 熔凝石英
棱镜和刻有 2000条 ·mm-1的光栅来色散 Li的
460.20nm和 460.30nm两条谱线。试计算 （ 1）
分辨率； (2)棱镜和光栅的大小
? 解（ 1）棱镜和光栅的分辨率
3106.4
20.46030.460
2/)20.46030.460( ??
?
??
?? nmnm
nmnmR
?
?
12:55:52
（ 2）棱镜的大小，即底边长
? 算出光栅的总刻痕数 N，对于一级光谱
? 光栅的大小，即宽度 W为
W=Nd=N/2000mm-1=4.6× 103/2000mm-1=0.23cm
cmb
nmb
n
bR
5.3
103.1106.4
d
d 143
?
???????
?
? ??
??
?
3106.4 ???
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?
?
K
R
N
NKR
?
?
12:55:52
狭缝
单色器的 进口 狭缝起着单色器光学系统 虚光源 的作用 。
复合光经色散元件分开后, 在 出口 曲面上形成相当于每条
光谱线的 像, 即光谱 。 转动 色散元件可使 不同波长 的 光谱
线依次通过 。
12:55:52
分辨率大小不仅与色散元件的 性能 有关, 也取决于成
像的大小, 因此希望采用较 窄 的进口狭缝 。 分辨率 用来衡量
单色器能分开 最小波长间隔 的能力；最小间隔的大小用 有效
带宽 表示：
S = DW
D为倒线色散率； W为狭缝宽度；
在原子 发射光谱 分析中,
定性 分析时, 减 小 狭缝宽度, 使相邻谱线的 分辨率 提高；
定量 分析时, 增 大 狭缝宽度, 可得到较大的谱线 强度 。
狭缝两边的边缘应 锐利 且位于 同一平面 上；
12:55:52
3.试样装置
光源与试样相互作用的场所
（ 1） 吸收池
紫外, 荧光分析法,石英 比色皿
可见分光光度法,玻璃 比色皿
红外分光光度法：将试样与溴化钾 压 制成透明 片
（ 2） 特殊装置
原子吸收分光光度法：雾化器中雾化, 在火焰中, 元素
由离子态 → 原子；
原子发射光谱分析：试样喷入火焰；
详细内容在相关章节中介绍 。
12:55:52
4,检测器
（ 1） 光检测器
主要有以下几种：
硒光电池, 光电二极管, 光电倍增管, 硅二极管阵列检
测器, 半导体检测器；
（ 2） 热检测器
主要有：
真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；
热释电检测器：
5,信号, 与数据处理系统
现代分析仪器多配有计算机完成数据采集, 信号处理,
数据分析, 结果打印, 工作站软件系统；
12:55:52
内容选择：
第一节 光分析基础
fundamental of optical analysis
第二节 原子光谱与分子光谱
atom spectrum and molecular spectrum
第三节 光谱法仪器与光学器件
instruments for spectrometry and optical parts
结束
第三节
光谱法仪器与光
学器件
一,光谱法仪器的基本流程
general process of spectrometry
二,光谱仪器的基本器件
main parts of spectrometry
第二章
光分析导论
an introduction to
optical analysis
instruments for spectro-
metry and optical parts
12:55:52
一,光分析法仪器的基本流程
general process of spectrometry
光谱仪器通常包括五
个基本单元：
光源；单色器；样品；检
测器；显示与数据处理；
12:55:52
二,光分析法仪器的基本单元
main parts of spectrometry
1,光源
依据方法不同, 采用不同的光源：火焰, 灯, 激光, 电
火花, 电弧等；依据光源性质不同, 分为：
连续光源,在较大波长范
围提供 连续波长 的光源,
氢灯, 氘灯, 钨丝灯等；
线光源,提供 特定波长 的
光源, 金属蒸气灯 (汞灯
,钠蒸气灯 ),空心阴极
灯, 激光等；
12:55:52
2.单色器
单色器,将复合光 分解 成 单色 光或有 一定宽度 的谱带的装
置 。
主要部件,
（ 1） 进出口狭缝；
（ 2） 准直装置 (透镜或反射镜 )：使辐射束成为平行光线；
（ 3） 色散元件 (棱镜, 光栅 )：使 不同波长 的辐射以 不同 的
角度 进行传播；
12:55:52
12:55:52
棱镜 — 根据光的折射现象进行分光
棱镜对不同波长的光具有不同的折射率, 波长 长 的光,
折射率 小 ；波长 短 的光, 折射率 大 。
平行光经过棱镜后按波长顺序排列成为单色光；经聚焦
后在焦面上的不同位置上成像, 获得按波长展开的光谱；
棱镜的 光学特性 可
用 色散率 和 分辨率
来表征 ；
12:55:52
棱镜的特性与参数
（ 1） 色散率
角色散率,用 dθ/dλ表示, 表示 偏向角 θ对波长的变化率；
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?
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2
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22
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棱镜的 顶角 α 越大或 折射率 n越大, 角色散率越
大, 分开 两条 相邻 谱线的能力 越强, 但 顶角越大,
反射损失也增大, 通常为 60度角；
12:55:52
（ 2）分辨率
相邻两条靠得很近的谱线分开的能力：
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,两条相邻谱线的平均波长；△ λ,两条谱线的波长差；
b,棱镜的底边长度； n,棱镜介质材料的折射率。
所以，棱镜的 分辨能力 取决于棱镜的 几何尺寸 和 材料 ；
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分辨率与波长有关, 长 波的分辨率要比短波的分辨率 小,
棱镜分离后的光谱属于 非均排光谱 。
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光栅 (p79)
通过在平板 玻璃 或 金属板 上刻
划出一道道 等宽, 等间距 的刻痕
制成 。 常用的光栅刻痕密度每毫
米为 1200条, 1800条或 2400条；
根据工作方式不同分为：
透射光栅, 反射光栅；
光栅光谱的产生是多狭缝 干
涉 与单狭缝 衍射 共同作用的结果
,前者决定光谱出现的 位置, 后
者决定 谱线强度分布 ；
12:55:52
光栅的色散原理
光栅公式, d (sinα± sinθ)=Kλ
α,θ分别为入射角和衍
射角；
K为光谱级次,K=0,± 1,
± 2,… 整数
d为光栅常数 (mm):相邻
两刻痕间的 距离, 即为光
栅刻痕密度 b（ mm-1)的
倒数；
λ为衍射光的波长
12:55:52
光栅公式 d (sinα± sinθ)=Kλ
dsinα为相邻入射光波 Ⅰ 与 Ⅱ 的光
程差；
dsinθ为相邻衍射光波 Ⅰ ’与 Ⅱ ’的光
程差；
d (sinα± sinθ)为光波 Ⅰ Ⅰ ’与光波
Ⅱ Ⅱ ’的总光程差；
加 号表示衍射光和入射光在光栅法
线的 同 侧, 减 号表示它们在光栅法
线的 异 侧；
当一束复合光以一定的入射角 α照
射光栅时, 不同波长 的单色光在 不
同衍射角 θ的方向发生干涉 。
在某一光谱级次中
,即当 K,α,d一定时,
波长 愈 长 的单色光, 衍
射角 愈 大 。 对于给定的
光栅, 可以通过旋转光
栅转台来获得需要的波
长范围和光谱级次 。
12:55:52
光栅的参数：
光栅的特性可用 色散率 和 分辨率 来表征, 当入射角不变
时, 光栅的 角色散率 可通过对光栅公式求导得到：
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dθ/dλ为衍射角对波长的变化率, 即光栅的角色散率 。
当 θ很小, 且变化不大时, cosθ ≈1,光栅的角色散率 决
定于 光栅常数 d 和光谱级数 K, 常数, 不随波长改变, 均排
光谱 （ 优于棱镜之处 ） 。
角色散率只与色散元件的性能有关；线色散率还与仪器
的焦距有关 。
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光栅的 线色散率
d
fK
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f
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f 为会聚透镜的 焦距 。
倒线色散率,用 dλ/dl 表示,dλ/dl 值越大，
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12:55:52
光栅的 分辨能力
光栅的分辨能力根据
Rakleigh准则来确定 。
等强度的两条谱线 （ I,II） 中, 一条 （ II） 的衍射最大
强度落在另一条的第一最小强度上时, 两衍射图样中间的
光强约为中央最大的 80%,在这种情况下, 两谱线 中央最大
距离 即是光学仪器 能分辨的最小距离 （ 可分离的最小波长
间隔 ） ；
12:55:52
光栅的 分辨率 R
光栅的分辨率 R 等于光谱级次 （ K） 与光栅刻痕条数 （ N）
的乘积：
NKR ???? ??
光栅越宽, 单位刻痕数越多, R 越大 。
如宽度 50mm,N=1200条 /mm，
一级光谱的分辨率：
R=1× 50× 1200=6× 104
12:55:52
例,用 dn/dλ =1.3× 10-4nm-1的 60° 熔凝石英
棱镜和刻有 2000条 ·mm-1的光栅来色散 Li的
460.20nm和 460.30nm两条谱线。试计算 （ 1）
分辨率； (2)棱镜和光栅的大小
? 解（ 1）棱镜和光栅的分辨率
3106.4
20.46030.460
2/)20.46030.460( ??
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（ 2）棱镜的大小，即底边长
? 算出光栅的总刻痕数 N，对于一级光谱
? 光栅的大小，即宽度 W为
W=Nd=N/2000mm-1=4.6× 103/2000mm-1=0.23cm
cmb
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5.3
103.1106.4
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K
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狭缝
单色器的 进口 狭缝起着单色器光学系统 虚光源 的作用 。
复合光经色散元件分开后, 在 出口 曲面上形成相当于每条
光谱线的 像, 即光谱 。 转动 色散元件可使 不同波长 的 光谱
线依次通过 。
12:55:52
分辨率大小不仅与色散元件的 性能 有关, 也取决于成
像的大小, 因此希望采用较 窄 的进口狭缝 。 分辨率 用来衡量
单色器能分开 最小波长间隔 的能力；最小间隔的大小用 有效
带宽 表示：
S = DW
D为倒线色散率； W为狭缝宽度；
在原子 发射光谱 分析中,
定性 分析时, 减 小 狭缝宽度, 使相邻谱线的 分辨率 提高；
定量 分析时, 增 大 狭缝宽度, 可得到较大的谱线 强度 。
狭缝两边的边缘应 锐利 且位于 同一平面 上；
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3.试样装置
光源与试样相互作用的场所
（ 1） 吸收池
紫外, 荧光分析法,石英 比色皿
可见分光光度法,玻璃 比色皿
红外分光光度法：将试样与溴化钾 压 制成透明 片
（ 2） 特殊装置
原子吸收分光光度法：雾化器中雾化, 在火焰中, 元素
由离子态 → 原子；
原子发射光谱分析：试样喷入火焰；
详细内容在相关章节中介绍 。
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4,检测器
（ 1） 光检测器
主要有以下几种：
硒光电池, 光电二极管, 光电倍增管, 硅二极管阵列检
测器, 半导体检测器；
（ 2） 热检测器
主要有：
真空热电偶检测器：红外光谱仪中常用的一种；
热释电检测器：
5,信号, 与数据处理系统
现代分析仪器多配有计算机完成数据采集, 信号处理,
数据分析, 结果打印, 工作站软件系统；
12:55:52
内容选择：
第一节 光分析基础
fundamental of optical analysis
第二节 原子光谱与分子光谱
atom spectrum and molecular spectrum
第三节 光谱法仪器与光学器件
instruments for spectrometry and optical parts
结束
