光谱仪器的光学设计
光谱是多色光被色散系统(如棱镜、光栅)分割，颜色分散的单色光按波长(或频率)依次排列的图案，称为光谱。光谱中最大的可见部分就是电磁波谱的可见光部分，这个波长范围内的电磁辐射称为可见光。光谱并不包含人脑视觉能够分辨的所有颜色，比如棕色和粉色。
光波是由原子内部移动的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动不同，所以发出的光波也不同。研究不同物质的光发射和吸收具有重要的理论和实际意义，并成为一门特殊的学科——光谱学。这里简单介绍一下关于光谱学的一些知识。
分光镜用来观察光谱。这里，我们来说说分光镜的结构原理。图6-18是分光镜的结构原理示意图。由准直器A、棱镜P和望远镜筒b组成，准直器A前面有一个宽度可调的狭缝S，位于透镜L1的焦平面①。从狭缝射入的光被透镜L1折射。它变成平行光并照射在棱镜p上。不同颜色的光通过棱镜以不同的折射方向发射，并在透镜L2后面的焦平面MN上会聚成不同颜色的图像(谱线)。通过望远镜B的目镜L3，可以看到放大的光谱图像。如果把照相底片放在底片上，就可以拍摄光谱图像。带有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪。
种类
发射光谱物体发光直接产生的光谱称为发射光谱。发射光谱有两种:连续光谱[1]和亮线光谱。
包含从红光到紫光各种颜色光的连续光谱称为连续光谱(彩图6)。热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱。比如电灯灯丝发出的光，热钢水发出的光，都形成连续的光谱。
仅包含一些不连续亮线的光谱称为亮线光谱(彩图7)。亮线光谱中的亮线称为谱线，每条谱线对应不同波长的光。稀有气体或金属蒸气的发射光谱是亮线光谱。亮线光谱也叫原子光谱。观察气体的原子光谱，可以用光谱管(图6-19)，这是中间的一种。里面充满了低压气体，管子两端有两个电极。当两个电极连接到高压电源时，管中的稀薄气体就会发光，产生某种颜色的光。
通过观察固体或液体物质的原子光谱，我们可以将它们在煤气灯的火焰或电弧中燃烧，使它们气化发光，然后从分光镜上看到它们的亮线光谱。
实验表明，不同的原子发出不同的亮线光谱，每种元素的原子都有一定的亮线光谱。彩色图7是几种元素的亮线光谱。每个原子只能在一定波长下发出具有自身特征的光，所以亮线光谱的谱线称为原子的特征谱线。原子的特征谱线可以用来鉴别物质和研究原子的结构。
吸收光谱当高温物体发出的白光(包括所有波长连续分布的光)通过一种物质时，该物质吸收部分波长的光所产生的光谱称为吸收光谱。比如让弧光灯发出的白光穿过温度较低的钠气体(在酒精灯的灯芯里放一些盐，盐受热会分解产生钠气体)，然后用分光镜观察，就会看到连续光谱的背景里有两条暗线(见彩图8。当分光镜的分辨率不够高时，只能看到一条暗线)。这是钠原子的吸收光谱。值得注意的是，各种原子吸收光谱中的每一条暗线都对应于该原子发射光谱中的一条亮线。这说明一个低温气体原子吸收的光，正是这个原子在高温下发出的光。因此，吸收光谱中的谱线(暗线)也是原子的特征谱线，但通常在吸收光谱中看到的特征谱线比开放光谱中的要少。
[编辑本段]光谱分析
因为每个原子都有自己的特征谱线，所以可以根据其光谱来鉴别一种物质，确定其化学成分。这种方法被称为光谱分析。做光谱分析的时候，发射光谱和吸收光谱都可以用。这种方法的优点是非常灵敏和快速。一种物质中一种元素的含量是10-10 (10)你可以从光谱中找到它的特征谱线，可以查一下。光谱分析在科学技术中有着广泛的应用。例如，在检查半导体材料硅和锗是否满足高纯度的要求时，需要使用光谱分析。历史上，光谱分析还帮助人们发现了许多新元素。比如铷和铯就是从光谱中看到以前未知的特征谱线而发现的。光谱分析对于研究天体的化学成分也非常有用。19世纪初，在研究太阳光谱时，发现其连续光谱中有许多暗线(见彩图9，其中只有部分以暗线为主)。起初，这些暗线是如何形成的不得而知，但后来人们明白了吸收光谱的成因。才知道这是太阳发出的强光穿过温度较低的太阳大气时产生的吸收光谱。通过仔细分析这些暗线，并与各种原子的特征谱线进行对比，人们知道太阳大气中含有氢、氦、氮、碳、氧、铁、镁、硅、钙、钠等几十种元素。
多色光的图案被色散系统分割，并按波长的大小依次排列，如太阳光被分为红、橙、黄、绿、靛、紫，形成连续的色谱。光谱的结构、产生机制、性质及其在科学研究和生产实践中的应用积累了丰富的知识，构成了一门非常重要的学科——光谱学。光谱学应用广泛，每个原子都有自己独特的光谱。就像人的指纹一样，是不一样的。它们按照一定的规律形成几条谱线。原子谱线的性质与原子结构密切相关，原子结构是研究原子结构的重要基础。应用光谱学的原理和实验方法可以进行光谱分析。每种元素都有自己独特的识别谱线。将某种物质产生的亮线光谱与已知元素的鉴别谱线进行对比，就可以知道这些物质是由哪些元素组成的。光谱分析不仅可以定性分析物质的化学成分，还可以测定元素的含量。光谱分析法具有极高的灵敏度和准确度。在地质勘探中，可用于检测矿石中所含的微量贵金属、稀有元素或放射性元素。光谱分析速度快，大大提高了工作效率。还可以用来研究天体的化学成分，校准标准仪器的长度。
多色光被一个色散系统(如棱镜和光栅)分开并按波长(或频率)顺序排列的图案。比如太阳光通过棱镜形成色谱，按照红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序连续分布。红色到紫色，对应的是波长从7700到3900埃的区域，是人眼能感觉到的可见部分。红端之外是波长更长的红外光，紫端之外是波长更短的紫外光，肉眼无法感知，但仪器可以记录。
因此，根据波长区域的不同，光谱可分为红外光谱、可见光谱和紫外光谱；根据产生的性质不同，可分为原子光谱和分子光谱；根据产生方式的不同，可分为发射光谱、吸收光谱和散射光谱。根据光谱的表观形态，可分为线状光谱、带状光谱和连续光谱。
【编辑本段】频谱分为以下几种形式。
①线性光谱。由窄谱线组成的光谱。单原子气体或金属蒸汽发出的光波都是线性光谱，所以线性光谱也叫原子光谱。当原子能从较高能级跃迁到较低能级时，辐射出单一波长的光波。严格来说，这种单一波长的单色光是不存在的。因为能级本身就有一定的宽度和多普勒效应，原子辐射的谱线总会有一定的宽度(见谱线展宽)。也就是说，它仍然包含窄波长范围内的各种波长成分。原子光谱根据波长的分布规律反映原子的内部结构，每个原子都有自己特殊的光谱系列。通过对原子光谱的研究，我们可以了解原子的内部结构，或者对样品中所含的成分进行定性和定量分析。
②谱带。它由一系列光谱带组成，由分子辐射出来，所以也叫分子光谱。用高分辨率光谱仪观测时，每个光谱带实际上是由许多相邻的谱线组成的。当分子在振动能级和旋转能级之间跃迁时，通常在红外或远红外区辐射出谱带。通过研究分子光谱可以了解分子结构。
③连续光谱。包括所有波长，红热固体辐射的光谱是连续光谱。同步辐射光源(见电磁辐射)可以发出从微波到X射线的连续光谱，X射线管发出的轫致辐射也是连续光谱。
④吸收光谱。当具有连续光谱的光波通过材料样品时，处于基态的样品原子或分子会吸收特定波长的光而跃迁到激发态，于是在连续光谱的背景上出现相应的暗线或暗带，称为吸收光谱。每个原子或分子都有反映其能级结构的明显的吸收光谱。研究吸收光谱的特征和规律是了解原子和分子内部结构的重要手段。吸收光谱最早是由J.V. Fraunhofer在太阳光谱中发现的(称为Fraunhofer线)，据此测定了太阳所含的一些元素。
特定元素光谱:红色代表硫，蓝色代表氧，绿色代表氢。
中国光谱网核心介绍:光谱学是光学的一个分支，主要研究各种物质光谱的产生及其与物质的相互作用。光谱是电磁辐射按照波长的有序排列。根据不同的实验条件，每个辐射波长都有自己的特征强度。通过对光谱的研究，人们可以获得物质结构的能级结构、能级寿命、电子构型、分子几何、化学键性质、反应动力学等方面的知识。然而，光谱学不仅是一种科学工具，而且在化学分析中提供了一种重要的定性和定量分析方法。
[编辑此段]频谱发展简史
人们研究光谱已经有一百多年了。1666年，牛顿将穿过玻璃棱镜的太阳光分解成从红光到紫光的各种颜色光谱，他发现白光是由各种颜色的光组成的。这是最早的光谱研究。
之后该谱线被沃拉斯顿观测到1802，又被弗劳恩霍夫在1814独立发现。牛顿没能观测到光谱线，是因为他让太阳光穿过了一个圆孔，而不是一条狭缝。在1814 ~ 1815之间，弗劳恩霍夫发表了许多太阳光谱中的暗线，并用字母命名，其中一些沿用至今。此后，这些线被称为夫琅和费暗线。
实用光谱学是由基尔霍夫和本生在20世纪60年代发展起来的。他们证明了光谱学可以作为一种定性化学分析的新方法，并通过这种方法发现了几种未知元素，证明了太阳中有许多已知元素。
自19世纪中叶以来，氢原子光谱一直是光谱学研究的重要课题之一。在试图解释氢原子光谱的过程中，这些成果极大地促进了量子力学定律的建立。这些定律不仅适用于氢原子，也适用于其他原子、分子和凝聚态物质。
氢原子光谱中最强的线是瑞典物理学家埃斯特林在1853年发现的。在接下来的20年里，在恒星的光谱中观察到了更多的氢原子线。1885年，从事天文测量的瑞士科学家巴尔默发现了一个解释已知氢原子位置的经验公式，后来称这组线为巴尔默系。继巴尔默的成就之后，在1889年，瑞典光谱学家里德伯发现了许多元素的线性光谱体系，其中最明显的是碱金属原子的光谱体系，并且都可以满足一个简单的公式。
虽然氢原子谱线波长的表达很简单，但当时原因不明。直到1913，玻尔才对此做出明确的解释。然而，玻尔的理论无法解释观测到的原子光谱的各种特征，甚至对氢原子光谱的进一步解释也遇到了困难。
20世纪发展起来的量子力学可以满意地解释谱线的成因。电子不仅有轨道角动量，还有自旋角动量。这两个角动量的结合成功地解释了谱线的分裂现象。
电子自旋的概念最初是由乌伦贝克和古兹米特在1925中作为一种假设提出的，目的是为了解释碱金属原子光谱的测量结果。在狄拉克的相对论量子力学中，电子自旋(包括质子自旋和中子自旋)的概念有着坚实的理论基础，它已经成为基本方程的自然结果而不是特殊的假设。
1896年，塞曼把光源放在磁场中观察光的三重态，发现这些谱线都是偏振的。现在这种现象被称为塞曼效应。次年，洛伦茨对这一效应给出了令人满意的解释。
塞曼效应不仅在理论上有重要意义，而且在应用上也有重要意义。塞曼效应在复杂光谱分类中是一种非常有用的方法，它有效地帮助人们理解复杂光谱。
[编辑本段]光谱研究内容
根据研究光谱学的不同方法，光谱学传统上分为发射光谱学、吸收光谱学和散射光谱学。这些不同种类的光谱学从不同方面提供了材料微观结构和不同化学分析方法的知识。
发射光谱可以分为三种不同的类别:线状光谱、带状光谱和连续光谱。线状光谱主要由原子产生，带状光谱主要由分子产生，连续光谱主要由白炽固体或气体放电产生。
目前原子发出的谱线有几百万条。每个原子都有自己独特的光谱，就像人的指纹一样不同。根据光谱学理论，每个原子都有自己的一系列离散的能态，每个能态都有一定的能量。
我们定义氢原子光谱的最小能量为最小能量。这个能态叫做基态，对应的能级叫做基本能级。当原子以某种方式从基态被提升到更高能态时，原子的内能增加，原子会以光的形式发射出这种额外的能量，从而产生原子的发射光谱，反之亦然。这种原子能状态的变化不是连续的，而是量子的，我们称之为原子能级之间的跃迁。
在分子的发射光谱中，研究的主要内容是双原子分子的发射光谱。在分子中，电子态的能量比振动态的能量大50 ~ 100倍，振动态的能量比转动态的能量大50 ~ 100倍。所以分子的电子态之间的跃迁总是伴随着振动跃迁和转动跃迁，所以很多谱线密集地堆积在一起，形成一个带谱。
从发射光谱的研究中，我们可以得到原子和分子的能级结构的知识，包括重要常数的测量。原子发射光谱法广泛用于化学分析。
当一束连续波长的光通过一种物质时，光束中的某些成分会被削弱。当通过物质的吸收光束被光谱仪显影成光谱后，就会得到物质的吸收光谱。几乎所有的物质都有其独特的吸收光谱。原子吸收光谱给出的能级结构知识与发射光谱给出的能级结构知识是互补的。
一般来说，吸收光谱法研究的是那些波长的光的吸收，吸收的程度，以及为什么会有吸收。研究的对象基本上是分子。
吸收光谱的光谱范围很宽，大约从10纳米到1000微米。在200纳米到800纳米的光谱范围内，可以观察到固体、液体和溶液的吸收，并且这些吸收中有一部分是连续的，称为一般吸收光谱；有些显示一个或多个吸收带，称为选择性吸收光谱。所有这些光谱都是由分子电子态的变化产生的。
选择性吸收光谱在有机化学中有着广泛的应用，包括化合物的鉴定、化学过程的控制、分子结构的确定、定性和定量化学分析等。
分子的红外吸收光谱一般用于研究分子的振动光谱和转动光谱，其中分子振动光谱一直是主要的研究课题。
对分子振动光谱的研究表明，很多振动频率基本上是分子内部一些小原子团的振动频率，这些频率是这些原子团的特征，与分子的其余部分无关。这与色基在可见光区的吸收光谱非常相似，在分子红外吸收光谱的应用中非常重要。多年来，它被用来研究多原子分子的结构、定量和定性分析。
拉曼光谱是散射光谱中最常见的光谱技术。当光穿过物质时，除了光的透射和吸收外，还会观察到光的散射。散射光不仅包括原来的入射光频率(瑞利散射和廷德尔散射)，还包括一些新的频率。这种具有新频率的散射称为拉曼散射，其光谱称为拉曼光谱。
拉曼散射的强度极小，约为瑞利散射的千分之一。拉曼频率、强度、偏振等。指出散射材料的属性。从这些数据中可以得出材料结构和成分的知识。这就是拉曼光谱被广泛使用的原因。
由于拉曼散射非常微弱，直到1928年才被印度物理学家拉曼发现。当他们用汞灯的单色光照射一些液体时，在液体的散射光中观察到频率低于入射光的新谱线。拉曼等人宣布他们的发现几个月后，苏联物理学家兰兹·米格尔等人也独立报道了晶体中存在这种效应。
拉曼效应源于分子的振动(和晶格振动)和转动，因此可以从拉曼光谱中获得分子振动能级(晶格振动能级)和转动能级结构的知识。
拉曼散射强度很弱。在激光出现之前，获得一个完美的光谱往往很费时间。自从激光发展以来，以激光为激发光源，拉曼光谱技术发生了很大的变化。激光器输出的激光具有良好的单色性、方向性和高强度，因此它们成为获得拉曼光谱的近乎理想的光源，特别是连续波氩离子激光器和氨离子激光器。因此拉曼光谱的研究又变得非常活跃，其研究范围也大大扩展。除了扩大所研究物质的种类之外，拉曼光谱还成为研究燃烧过程、检测环境污染和分析各种材料的非常有用的工具。
光学的其他分支:
光学、几何光学、波动光学、大气光学、海洋光学、量子光学、光谱学、生理光学、电子光学、集成光学、空间光学、光子学等。