發(fā)布日期：2023-10-19 14:11:40 光譜儀是一種用來測(cè)量光譜成分的科研儀器，光譜儀可以直觀地顯示一張光譜（y軸是強(qiáng)度，x軸是光波長(zhǎng)/頻率），表征著光強(qiáng)隨著光波長(zhǎng)的分布。不同波長(zhǎng)的光在光譜儀內(nèi)部被分光元件分開，分光元件通常是折射棱鏡或者衍射光柵。
上圖：燈泡和太陽(yáng)光的光譜（左）、光柵和棱鏡的分光原理（右）
光譜儀用于測(cè)量各種各樣的光輻射，可以直接測(cè)光源的發(fā)射光譜，也可以測(cè)光源和物質(zhì)相互作用后的反射、吸收、透射、或者散射光譜。光和物質(zhì)相互作用后，其光譜會(huì)在某個(gè)光譜范圍或者是某個(gè)特定波長(zhǎng)發(fā)生變化，根據(jù)光譜的變化就可以定性或定量地分析物質(zhì)的特性，比如生物和化學(xué)上對(duì)血液及未知溶液的成分及濃度分析，以及對(duì)材料的分子、原子結(jié)構(gòu)和元素組成的分析。
上圖：不同種類油的紅外吸收光譜
光譜儀最初被發(fā)明用于物理、天文學(xué)、化學(xué)研究，目前是化學(xué)工程、材料分析、天文科學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷和生物傳感等眾多領(lǐng)域最重要的儀器之一。17世紀(jì)，人們首次利用棱鏡發(fā)現(xiàn)了“光譜”，由一束白光經(jīng)過棱鏡后形成的連續(xù)彩色光帶。
上圖：艾薩克·牛頓用三棱鏡研究太陽(yáng)光譜
19世紀(jì)初，德國(guó)科學(xué)家Joseph von Fraunhofer（夫朗禾費(fèi)），結(jié)合了棱鏡、衍射狹縫和望遠(yuǎn)鏡，制作了精度和準(zhǔn)確度較高的光譜儀，用于分析太陽(yáng)發(fā)射的光譜，首次發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)光的七色光譜并不是連續(xù)的，而是上面有多條暗線，即著名的“夫朗禾費(fèi)線”，對(duì)應(yīng)著不同元素對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收，人類也由此知道了太陽(yáng)光的組成。同時(shí)，夫朗禾費(fèi)也是第一個(gè)使用衍射光柵獲得線光譜，并且測(cè)量譜線波長(zhǎng)的人。
上圖：早期的光譜儀，用人眼觀察
上圖：夫朗禾費(fèi)線(彩帶中的暗線)
上圖：太陽(yáng)光譜，向下凹部分對(duì)應(yīng)著夫朗禾費(fèi)線
19世紀(jì)中葉，德國(guó)化學(xué)家Robert Bunsen 對(duì)各種鹽類的燃燒火焰進(jìn)行了系統(tǒng)觀察，發(fā)現(xiàn)了焰色反應(yīng)，隨后在其物理學(xué)家好友 Gustav Kirchhoff的建議下，通過觀察光譜實(shí)現(xiàn)對(duì)元素的定性檢驗(yàn)，1860年他們發(fā)表了對(duì)八種元素光譜的發(fā)現(xiàn)，并確定了這些元素在幾種天然化合物中的存在，他們的研究也開創(chuàng)了光譜分析化學(xué)的一個(gè)重要分支：光譜分析。
上圖：焰色反應(yīng)
20世紀(jì)20年代，印度物理學(xué)家C.V.Raman，用光譜儀在有機(jī)溶液中發(fā)現(xiàn)了光和分子的非彈性散射效應(yīng)，即入射光和分子相互作用后，能量會(huì)發(fā)生上移或下移，這種現(xiàn)象后被稱作拉曼散射。光能量的變化量表征了分子的微觀構(gòu)造，所以拉曼散射光譜目前廣泛應(yīng)用于材料、醫(yī)藥、化工等行業(yè)，用于鑒定和分析物質(zhì)的分子類型及分子結(jié)構(gòu)。
上圖：入射光與分子作用后能量發(fā)生了上移和下移
20世紀(jì)30年代，美國(guó)科學(xué)家Beckman博士首次提出單獨(dú)測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)的紫外光譜吸收，繪制出完整的吸收光譜，從而揭示溶液中的化學(xué)物質(zhì)類型和濃度。這種透射吸收光路由光源、光譜儀、樣品組成，目前大多數(shù)溶液的成分和濃度探測(cè)都是基于這種透射吸收光譜。
上圖：吸光度檢測(cè)原理——光源-準(zhǔn)直-分光-狹縫-溶液-探測(cè)器
20 世紀(jì) 40 年代，第一臺(tái)直讀光譜儀被發(fā)明，首次采用光電倍增管和電子器件替代了傳統(tǒng)的人眼觀察或照相膠片，可以直接讀出光譜強(qiáng)度，光譜儀作為科學(xué)儀器在使用便捷性、定量測(cè)量、以及靈敏度等方面有了顯著的提升。
20世紀(jì)中后期，光譜儀技術(shù)的發(fā)展離不開光電半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展。1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Willard Boyle 和 George Smith 發(fā)明了CCD（Charge-Coupled Device），隨后由同在貝爾實(shí)驗(yàn)室的Michael F. Tompsett在1970年代改進(jìn)開發(fā)為成像應(yīng)用，1980年，日本NEC的Nobukazu Teranishi發(fā)明了固定光電二極管，極大提高了圖像噪比和分辨率。1995年，NASA的Eric Fossum發(fā)明了CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）圖像傳感器，其功耗比同類CCD圖像傳感器低100倍，生產(chǎn)成本也低得多。
20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)發(fā)展，光電器件的制造工藝、性能、成本都有了極大的提升，陣列式CCD、CMOS也首次應(yīng)用于光譜儀。這種光譜儀可以在單次曝光下獲取全范圍光譜，相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)光柵的多次采集，在采集速度、小型化取得了突破進(jìn)展。相應(yīng)地，光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域也得到了極大的拓展，目前光譜儀主要用于化學(xué)分析、顏色測(cè)量、熒光光譜、激光波長(zhǎng)分析、LED 分選、成像和照明、傳感設(shè)備、熒光光譜、拉曼光譜等。
21世紀(jì)的前20年，各種類型光譜儀的設(shè)計(jì)制造技術(shù)逐漸成熟和穩(wěn)定，伴隨著各行各業(yè)發(fā)展對(duì)光譜儀的需求日漸增長(zhǎng)，光譜儀的發(fā)展也更加迅速更具行業(yè)針對(duì)性，除了常規(guī)的光學(xué)參數(shù)指標(biāo)外，不同行業(yè)對(duì)光譜儀的體積大小、軟件功能、通信接口、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、乃至成本都有不同的需求，因此光譜儀有了更多的細(xì)分種類和更加多元化的發(fā)展。
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