棱镜式光谱仪原理是什么,棱镜分光原理

题图来自Unsplash，基于CC0协议

导读

光谱分析技术是科学研究不可或缺的工具，棱镜式光谱仪凭借其历史悠久的技术基础和实用的分析能力，曾长期占据主导地位，即便在光栅式光谱仪崛起的背景下，依然在特定领域发挥着重要作用。

其核心工作原理建立在光的色散现象之上。当一束包含多种波长成分的复色光（如太阳光）通过棱镜这样的透明介质时，由于组成光线的不同波长在介质中的传播速度不同，根据惠更斯原理，不同成分的光线在通过棱镜折射后会发生角度分离。这一现象本质上是惠更斯波动说的体现，即介质中某点的波前会激发两侧产生的球面次波，依此方式可以解释折射过程中光速改变引起的偏折现象。当不同波长的光从一种介质射向另一种介质时，根据折射定律，在入射角相同时，波长越长的光偏折角度越小（即折射角越大）。

棱镜分光的物理基础源于其折射率对波长的依赖性。棱镜材料的折射率并不是恒定的，而是随波长的增减而变化。据实验观察，在可见光范围内，伴随着波长增加（从紫光到红光），棱镜材料对波光的折射能力（即折射率n）呈现出明显的递减趋势。这种事实描述了色散现象，是棱镜能分离光谱的基础。其分光原理本质在于：固定入射角时（多通过准直手段实现平行光入射），棱镜出射端对不同波长光的偏转角度存在差异，长波长光偏转角度小，短波长光偏转角度大，从而在接收器处形成了从紫到红的光谱展开。

棱镜式光谱仪的基本构造主要包括光源、入射狭缝、准直器、棱镜分光元件和检测器（如光屏、照相机或光电倍增管）。首先，待测光源发出的光经入射狭缝形成一维光通量，再经过准直装置（通常是凹面镜或透镜）转变为平行光束。这些平行光束在到达棱镜时具有相同的入射角。随后，多种波长的光线发生色散，在棱镜的另一侧汇聚形成按波长顺序排列的光谱带。最后，通过适当调节（如旋转棱镜），该分光后的光被引导至检测器上，操作者即可通过肉眼观察或借助附件进行定性定量分析。

特定材料制成的棱镜，具有其独有的折射率特性曲线，而色散率D正是对这种折射率随波长变化率的一种量化描述，等于折射率n对波长λ的偏导数用负号限定： D = - (dn/dλ)。单位通常是每纳米或每微米。色散率的大小直接决定了棱镜将白光分解为光谱的效率——色散率越高，单位波长间隔内光线偏转的角度越大，形成的光谱条纹越精细，分辨率可能越高。

棱镜式光谱仪的应用广泛存在于各个领域。在实验室分析中，用于元素的定性与定量测定（尤其配合火焰光度法测定碱金属和碱土金属），以及比色法中的分光光度测定。工业质检方面，可用于宝石真伪鉴定，药品成分分析，以及环境监测中大气污染物（如氮氧化物）的含量分析。此外，在物理学、天文学等领域，也是探索物质结构、测量恒星光谱等的基础工具。

尽管棱镜式光谱仪性能优良，但并非在所有场合都具有最佳效果。例如，在紫外线或近红外区域，某些玻璃棱镜会因吸收而导致信号衰减严重，此时石英棱镜或光栅更为适用。此外，在整个光谱范围的色散率变化并不均匀，限制了某些精密分析的需求。在此背景下，光栅式光谱仪凭借其更大的灵活性（可适用于全波段，从紫外线到远红外）、更均匀的理论线性色散关系以及可调谐性等优势，在许多前沿研究和高精度应用中逐渐占据优势。

总结来说，棱镜式光谱仪利用了光通过介质时角度分离波长的现象，其原理基于光的折射定律和波长相关的折射率变化，通过不同物理构造实现了多种场景下的光谱分离与分析任务，至今仍是物理学、化学等领域不可或缺的工具，其与光栅式光谱仪的比较中，各自发挥优势，共同构成了现代光谱分析技术的基础。