任何光学光谱仪的核心部件都是按波长分离光线的组件。
最常见的是衍射光栅——一种刻有重复凹槽的材料片，当光线从其表面反射或透过时，会以与波长成比例的角度发生衍射和弯曲。
棱镜——或者光栅和棱镜的组合——也可以用来以这种方式弯曲和分离光线。这种按波长的弯曲和分离称为色散。
如果在色散元件后放置一个相机，我们就可以确定不同波长的光线落在相机上的哪个位置。
光学光谱仪的组成部分有哪些？
光源
光源的类型高度依赖于实验需求，例如激光器、HgAr校准灯、氘灯和样品发的光。
翻转镜
用于在需要快速切换多个实验装置时，在直接输入和侧输入输出之间进行切换。（镜面材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。
球面/环面镜
用于将狭缝或针孔发出的光进行准直，并将其导向衍射元件，同时将来自衍射元件的分散光聚焦到探测器上与波长相关的区域。（镜面材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。
衍射元件（如光栅、棱镜或光栅）
根据光的波长，用于将光分散到不同的角度。
（衍射元件材料/涂层的选择会影响光谱仪的光通量效率）。
探测器/摄像机
一旦光在光谱仪中按波长分散，通常希望用探测器或相机测量这些光。探测器/相机的
选择高度依赖于实验需求，通常最好由安多公司的专家与客户讨论后决定，基于客户
的实验要求。影响探测器/相机选择的因素包括光敏感度、时间门控、采集速度、光谱
范围、探测器宽度/高度、客户预算等。
Czerny-Turner光谱仪
切尼-特纳光谱仪是设计最为坚固和成熟的光谱仪之一。它使用一个弯曲（环形）的镜子来收集光源发出的光线，并将其准直（或使光线平行）后反射到平面衍射光栅上。该光栅安装在精密旋转台上，能够将光源发出的光线分散并反射到第二个弯曲（环形）的镜子上，该镜子将之前准直的光线聚焦到探测器上的不同位置，以检测每个波长的光线。通过旋转光栅，可以将不同范围的波长照射到探测器上。通过在光栅或光谱仪焦距之间切换，可以不同程度地分散光线，以实现不同的波长分辨率。
中阶梯光栅光谱仪
大多数光谱仪设计使用单轴色散——光仅在一个方向上按波长分离。当需要测量非常宽的波长范围时，多个衍射级次可能会重叠。然而，如果在设计中加入第二个色散元件，这些级次可以被分开，形成二维“阶梯图”，结合了宽带和高分辨率。阶梯光谱仪是极佳的选择，适用于同时测量从紫外到近红外的广泛波长范围，而不牺牲光谱分辨率。
光谱仪是如何工作的？
光谱学过程
使用透射光谱仪测量样品在近紫外至可见光谱区域的吸收（或反射/透射/发射）。光谱仪由光源、色散元件、样品室和检测器组成。光源产生的宽带光通过色散元件转换为单色光，并穿过样品。样品后的光强度由检测器测量。通过扫描色散元件，可以产生并测量从近紫外到可见光的波长。通过比较样品后光的强度与样品前光的强度，生成透射光谱。早期的光源，如弧灯或金属丝，最近已被发光二极管（LED）取代。色散元件可以是单色仪中的棱镜或光栅。扫描式单色仪使用单个光电二极管检测器和光电倍增管，而固定式单色仪则使用CCD、光电二极管阵列。CCD和光电二极管阵列可以同时测量多个波长的光，从而实现更快的测量。
光谱仪的用途是什么？
光学光谱仪可用于多种不同的光谱技术，从紫外到NIR和SWIR，适用于各种尺寸和时间尺度。在以下章节中，我们将介绍不同的光谱技术，包括：
- 喇曼光谱法
- 发光／PL光谱学
- 吸收/透射光谱
- SFG/SHG光谱
- LIBS/OES光谱学
- 材料科学光谱学
- 化学与催化光谱学
- 表面增强拉曼光谱（SERS）技术
- 多维超快光谱技术
- 稳态荧光光谱技术
- 燃烧／流体动力学光谱
1. 拉曼光谱
拉曼光谱是一种非破坏性技术，用于测量样品的振动模式。拉曼光谱测量散射光，这些光可能因分子中振动能级之间的跃迁而失去或获得能量。产生的光谱极其具体地反映了样品的化学成分、分子环境和温度。拉曼光谱的一些应用包括用于药物质量控制、法医鉴定和远程爆炸物及毒品检测的化学品正确定位，作为凝聚态和气相系统中分子动力学的敏感探针，监测低维材料中的缺陷和应变，以及医学诊断。拉曼光谱的子类包括表面增强拉曼（SERS）共振拉曼、尖端增强拉曼、偏振拉曼和超拉曼。
- 发光／PL光谱学
发光是指物质在低温下自发地发出光（不是由热产生的）。发光的一些例子包括化学发光、生物发光和电致发光。光致发光是指物质吸收光子后自发地发出光。它被分为两个亚类；荧光，涉及单线态-单线态电子弛豫，发生在纳秒级；以及寿命更长的磷光，由三线态-三线态电子弛豫引起，可持续从微秒到数小时。磷光广泛用于表征半导体的光电性能、材料纯度和晶体质量，载流子寿命和应变效应。磷光还用于研究低维材料中的载流子动力学，例如纳米晶体中的量子限制效应。
- 吸收/透射光谱
吸收/透射光谱学是指样品对辐射的吸收随波长（或频率）变化的现象。吸收/透射光谱学可以在整个电磁频谱范围内进行，从高能X射线驱动内壳层电子激发，到低能无线电波辐射中电子和核自旋可以被激发。吸收/透射光谱学既具有特异性又具有定量性，在化学分析和量化样品中物种数量方面特别有用。它还用于远程传感应用，如天文学中的星际分子云化学成分分析，或作为原子和分子电子结构的敏感探针，可用于确定原子和分子的质量及几何结构。
- SFG/SHG光谱
和频生成（SFG）是一种非线性过程，其中两个角频率分别为ω1和ω2的光子在介质中相互作用，产生一个角频率为ω3的光子。由于信号强度取决于输入场的乘积，通常使用具有高峰值电场强度的激光器。二次谐波生成（SHG）是SFG的一个特例，此时ω 1 = ω2，是最常见的SFG类型。由于SFG只能在物质不对称的情况下发生，因此特别适用于表征表面和界面的特性。SFG还用于测量表面的电子和振动动力学。SHG是一种制造新型激光器的常用技术，也用于表征超短激光脉冲（低于1皮秒）。使用SHG的研究应用包括在高分辨率光学显微镜中检测非对称物质以及表征晶体材料。 二次谐波生成（SHG）是一种光谱技术，由于对称性限制，对测量分析物的表面具有独特的敏感性。SHG用于研究脂质体生物层和固体基底上的支撑双层的表面，允许研究膜表面生物分子的分子相互作用和脂质体双层中分子传输的动力学。
- LIBS/OES光谱学
光学发射光谱法（OES）是一种将样品加热到高温，使样品中的电子被激发到高能态的技术。随着样品冷却，电子弛豫并发出可见光谱区域（OES）的辐射。发射的辐射频率具有样品原子特性的特征，可用于确定材料的元素组成。有几种加热样品的方法；包括电感耦合等离子体（ICP）、火焰电离、电弧和火花。激光诱导击穿光谱法是发射光谱学的一个特定分支，其中高强度激光聚焦于样品上形成等离子体，使样品原子化并激发。电子从其激发态弛豫并在激发后几微秒内发出辐射。所得光谱可用于分析样品的元素含量。激光诱导击穿光谱法已应用于金属合金表征、危险物质检测、远距离化学物检测、爆炸残留物检测以及油漆和土壤中铅的检测。
- 材料科学光谱学在纳米、微米或宏观尺度上对固体进行操控和/或表征，以开发适用于太阳能/光伏电池、储能、LED、新型催化剂、化学检测器、生物医学设备等众多应用的新材料。该领域的许多研究人员能够以高精度和可重复性地表征各种材料的化学、结构、电子和/或光学性质，这些研究通常采用拉曼、光致发光/荧光/阴极发光、吸收、光发射光谱和激光诱导击穿谱、二次谐波生成或暗场散射等探测技术。研究人员经常测量结构变化、光子学特性、缺陷的存在、应变/应力下的行为、电子行为以及许多其他物理材料特性。近期感兴趣的材料包括：低维纳米晶体、过渡金属二硫属化物（TMDs）、有机半导体（如OLED）和等离子体超材料。
- 化学与催化光谱学
化学和催化领域有许多小众研究应用，涉及多种专门的光谱技术，这些技术通常需要高端的专业光谱仪器来高效收集足够的光谱数据。以下是用于化学和催化应用的一些技术示例。
红外（IR）光谱可用于监测化学反应的进程，因为分子的红外光谱高度依赖于原子组成和分子结构。此外，红外光谱还可用于监测分子中的同位素替换，因为力常数（从而振动频率）是系统简化质量的函数。
化学反应动力学机理可以通过UV/VIS（电子）光谱测量，并被应用于理解CO2活化和水分解的机制。
拉曼光谱可用于解决流体和液体样品的分子间模式。这些模式集中在光谱的低频（0-200 cm-1）区域，是样品的集体运动的结果，对分子间的分子间力特别敏感，并被认为在凝聚相化学反应动力学和动力学中起着关键作用。
- 表面增强拉曼光谱（SERS）技术
表面增强拉曼光谱依赖于金属纳米颗粒（或粗糙金属表面）在外加光源驱动下产生局部电场增强的能力。观察到的增强效果可达10^10至10^11倍，提高了该技术对单分子检测的灵敏度。SERS能够检测体液中低浓度的生物分子，并作为下一代医学诊断和早期疾病检测平台正在被探索。
- 多维超快光谱技术
超快光谱学用于研究通常发生在100飞秒（10^-15）时间尺度上的过程，而尖端实验现在正转向研究阿秒（10^-18）量级的过程。超快光谱学通常用于研究光化学反应，即化学反应由光引发。超快化学反应可以通过激光启动，分子的行为则通过红外或紫外-可见光谱学进行监测。
超快光谱学中的超快是指用于照射样品并启动或检测反应的光脉冲持续时间；而用于获取吸收光谱的探测器的工作频率为1 – 100 kHz。
这项研究的一个典型应用是研究防晒霜中分子的行为，以了解光照射下异构化或分解的变化。或者，可以利用光化学反应来更好地理解自然光合作用系统中的能量耦合。这些自然系统具有极高的量子效率，对其起源的深入了解有助于设计稳健的人工光合作用装置。
多维超快光谱学也可用于理解能量转移动力学，例如在二维红外实验中研究振动状态如何相互作用以及能量如何被淬灭。
- 稳态荧光光谱技术
稳态荧光光谱法可用于研究RNA-蛋白质相互作用的局部构象变化，因为荧光光谱的强度和形状高度依赖于局部环境，可以成为这些相互作用的极其敏感的探针。
- 燃烧／流体动力学光谱
研究流动的气体和液体在（有时）反应性环境中的行为。在这些领域中，了解分子能量和成分的流动对于设计更高效的发动机、车辆外观设计、涡轮机、反应堆以及许多需要考虑流体环境操作的其他工程设备至关重要。通常使用分子标记测速（MTV）或粒子成像测速（PIV）等测量方法来表征流体场中的湍流速度波动。这些技术常与其他技术结合使用，例如（平面）激光诱导荧光（(P)LIF），以测量流体温度并监测流动中的化学反应。相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）和化学发光等其他技术也是用于流体流动的有用光学诊断技术。
为什么光谱仪如此昂贵？
光谱仪本身并不昂贵——一个简单的光谱仪可以用一张光盘作为色散元件，用纸板框架固定。然而，构建高精度的光谱仪需要使用最佳的光学件和机械部件。镜子必须精确成型，以使光线达到最佳聚焦，并且要打磨得非常光滑，以避免强信号散射并淹没微弱信号。衍射光栅必须精确刻划，每毫米有数百到数千条线，每条线间距均匀且一致。电机必须在计算机控制下精确且可重复地移动。所有这些部件都必须牢固安装并校准在一个合适的机箱内，通常还需要额外的电动部件——旋转镜、可调狭缝、滤光轮等，以最大化系统的可用性。
没有一个单一的组件会主导生产成本，但一个功能齐全的高精度光学光谱仪就像其他计量资本设备一样——它需要技能、知识和精密部件来制造。
此外，光学光谱仪具有广泛的分析测量潜力。与提供类似材料表征能力的其他测量技术相比，光学光谱仪可能更胜一筹。
Andor紫外、NIR和SWIR光谱仪
当与适当的衍射光栅和检测器配合使用时，Andor Kymera 193i、Kymera 328i、Shamrock 163、Shamrock 500i、Shamrock 750是适用于UV、NIR和SWIR测量的光谱仪。
Andor光学光谱仪提供高分辨率、高通量、高模块化，从紫外到NIR和短波红外，从宏观到纳米尺度，光通量低至单光子，时间分辨率达到纳秒级。其特点包括高模块化、智能电机驱动、TruRes™——最高光谱分辨率、Adaptive Focus™技术，适用于拉曼、发光/磷光、吸收/透射、SFG/SHG、OES和LIBS、材料科学、化学与催化以及生命科学/生物医学等领
域。
Andor光谱型相机和探测器
基于光谱学的诊断在材料科学、化学、生命科学或基础物理和光学领域依赖于以高度精确度捕获和分析光学和化学特征。
Andor光谱相机和探测器系列提供广泛的灵敏度、时间分辨率和传感器格式，以最适合从紫外到短波红外、纳秒到小时的时间分辨率、高光子通量到单光子的超动态范围和分辨率的特定实验条件。
原文链接：https://andor.oxinst.com/learning/view/article/what-is-an-optical-spectrometer