主题：筹建《等离子体发射光谱学杂文》－－建议与资料征集中【7.9日更新】

光谱仪的分光（色散）系统
复合光经色散元素分光后，得到一条按波长顺序排列的光谱，能将复合光束分解为单色光，并进行观测记录的设备称为光谱仪。无论是在单道扫描型还是多通道型或全谱直读型的任何光谱仪中，通常都希望：(a)有适当的波长范围和波长选择，(b)能从被检测的辐射源的特定区域里采集尽可能多的光。为达到这两个目标，系统将包括：(a)一个入射狭缝；它提供与狭缝尺寸相同的的辐射光带，(b)一个能产生一束平行光的准直器，(c)一个或两个组合的色散元件，(d)一个能使被色散的特定狭窄光带重显的聚焦元件，(e)一个或多个能使所需光带分离的出射狭缝（全谱直读型仪器无需出射狭缝）。在ICP光谱仪的分光系统中，采用的色散元件几乎全都是光栅，在一些高分辨率的系统中，棱镜也是分光系统中的一个组成部件。

3.1  衍射光栅
平行、等宽而又等间距的多缝装置称为衍射光栅。它是利用光的衍射和干涉现象进行分光的一种色散元件，衍射光栅有透射式和反射式两种，光谱仪常用的是反射光栅，它的缝是不透明的反射铝膜。在一块极其平整的毛坏上镀上铝层，刻上许多平行、等宽而又等距的线槽，每条线槽起着一个“狭缝”的作用，每毫米刻线有1200条、2400条或3600条，整块光栅的刻线总数几万条到几十万条。
反射光栅从形状上可分为平面光栅，凹面光栅和阶梯光栅，从制作方法上又可分为机刻光栅和全息光栅。
在一般的反射光栅中，由于光栅衍射中没有色散能力的零级衍射的主极大占去衍射光强的大部分（80%以上），随着主极大的级次增高，光强迅速减弱（见右图）。因此，使用这种反射光栅时，其一较弱，二级衍射更弱。为解决这个问题，将光栅的线槽刻成锯齿形，使其具有定向“闪耀”能力，把能量集中分布在所需的波长范围。光栅复制技术的发展，大大降低了生产成本并缩短生产周期，使光栅得到广泛应用。

平面反射光栅的特点
a) 根据光栅方程，当光栅常数d为定值时，对于同一方向（α一定）入射的复合光在同级光谱（m一定）中，不同波长(有不同的衍射角β与之对应，因而可在不同的衍射方向之获得不同波长的谱线（主极大）。这就是光栅的色散原理。
b) 对一定波长(的单色光而言，在光栅常数d和入射角α固定时，对于不同级次m(m=0 ±1 ±2......)可得到不同角β的衍射光，即同一波长可以有不同级次的谱线（主极大）。
c) 对于复合光，当m=0时，在β=-α的方向上，任何波长都可使光栅方程成立，即在此方向上，光栅的作用就象一面反射镜一样，将得到不被分光的零级光谱，入射光束中的所有波长都叠加在零级光谱中。当d和α为固定值时，对于不同波长、不同级次的光谱，只要其乘积m(等于上述定值，则都可以在同一衍射角β的方向上出现,即
m1(1=m2(2= m3(3=......
例如，一级光谱中波长为(的谱线和波长为(/2的二级谱线，波长为(/3的三级谱线......重叠在一起（如图）。这种现象称为光谱级次的重叠。它是光栅光谱的一个缺点，对光谱分析不利，应设法予以清除。在平面光栅光谱仪中，常用不同颜色的滤光片来消除这种级次重叠。同时为了获得足够的光能量，在ICP光谱分析中，通常选择第一级（m=1）或第二级次（m=2）的光谱谱线。
3) 平面光栅光谱仪的主要性能
a) 色散率：光谱在空间按波长分离的程度称为色散率，其表示方法有角色散率（dβ/d(）和线色散率（dl/d(）两种，通常以线色散率倒数d(/dl表示仪器的色散能力，其单位为nm/mm。
光栅的角散率：dβ/d(=m/(d?cosβ)
由此可见，角色散率与光谱级次m成正比。对于给定的波长范围，由于平面光栅的β较小（0-8°），cosβ变化不大（1-0.99），因而在同一个级次下，角色散率几乎不变；二级光谱的角色散率为一级光谱角色散率的两倍。
在Ebert装置的平面光栅仪中，焦平面与光轴垂直, β=0-8°时，cosβ"1。此时线色散率倒数为：
dλ/dl(d/(f·m)  f为成像物镜的焦距。
可见，线色散率倒数与成像物镜的焦距f、衍射光谱级次m成反比，即采用长焦距和高衍射级次的光谱有利于提高线色散率。同时平面光栅光谱仪的线色散率倒数只有在β角很小的情况下才接近常数，即随波长的增加，线色散率倒数几乎不变。
b) 分辨率：仪器的分辨率又称分辩本领，是指仪器两条波长相差极小的谱线，按Rayleigh原则可分开的能力。所谓Rayleigh原则，指一条谱线的强度极大值恰好落在另一条强度相近的谱线的强度极小值处，若此时这两条谱线刚能被分开，则这两条谱线的平均波长λ与波长差Δλ之比值，称为仪器的理论分辨率R，即R=λ/Δλ。对于平面光栅，理论分辨率R=λ/Δλ=m·N，由此表明光栅的分辨率为光谱级次m与总刻线N的乘积，不随波长改变而改变。
当级次m增加时，角色散率、线色散率及分辨率均随之增加。这时光栅偏转的角度也越大，它在衍射方向的投影也越少，因而光栅的有效孔径也随之越小，因此，光谱强度也相应减弱。
实际分辨率由于受许多客观误差因素的影响，总是比理论分辨率差，一台单色仪的分辨率是它能分辩的最小波长间距，这个波长间距不但有赖于仪器的分辩本领，而且也与狭缝的宽度、狭缝的高度及光学系统的完善性有关。在扫描式单色仪中，分辨率通常用半强度带宽值报出（如图）。
谱线是狭缝的单色像，虽然采用窄狭缝对提高分辨率有利，但是，如果用太窄的狭缝就会使光强度明显地减弱，在平面光栅的ICP光谱仪中用的狭缝宽度一般为20um左右。

闪耀光栅
前面介绍的一般光栅具有色能力。但衍射能量的80%左右集中在不分光的零级光谱中，而有用的一、二级光谱依次减弱，因而实用价值很低。为了克服这一缺点，适当地改变反射光栅的刻槽形状，使起“狭缝”作用的反射槽面和光栅平面形成一定的倾角(，如图，即可将入射光的大部分能量集中到所需衍射级次的某个衍射波长附近，该波长称为“闪耀波长”，这种现象称为光栅的闪耀作用，这种光栅称为闪耀光栅，也称小阶梯光栅，倾角(为闪耀角。
闪耀光栅的主要好处在于可使光能量集中在第一光谱级次（m=1）的λb与第二光谱级次（m=2）的λb/2附近。
a) 在“自准”条件下（(=(=(），闪耀波长与闪耀角的关系为2dSin(=m·λbm，可根据需要的闪耀波长λbm来设计相应的闪耀角(。
b) 光栅的闪耀并非只限于闪耀波长，而是在该闪耀波长附近的一定范围内也有相当程度的闪耀。
c) 如图表示为闪耀光栅的特性。这种光栅的一级闪耀波长λb1=560nm，有86%的光强集中在一级，而其余14%被分配在零级和其他各级中。从该图可以看出，该光栅的二级光栅光谱的闪耀波长λb2=560/2=280nm，实际上，光强的分布难与理论值完全相符，因为光栅刻线形状不可能精确地控制使其完全一致，图中表现了两条曲线的差别。
总之，闪耀光栅可将某一波长的75-85%的光强集中到某一级次上，从而消除了一般光栅把光强集中在零级，而使其他级次的谱线变得很弱的缺点。

中阶梯光栅（echelle）
线色散率、分辨率、集光本领是评价光谱仪性能的重要指标，而这些性能又主要取决于所采用的色散元件-光栅，制造高性能的光栅一直是光谱仪技术追求的目标。
从光栅色散率公式可知，在自准条件下（(=(=(）
dl/dλ=(m·f)/(d·cos()
提高线色散率可采用长焦距f、大衍射角(、高光谱级次m、减少两刻线间的距离d（提高每毫米刻线数）。
从光栅分辨率公式可知
R=λ/(λ=m·N
提高分辨率可增加光栅刻线总数N、用高衍射级次来解决。
在常规的光栅设计中，都是通过增加每毫米刻线数来提高线色散率和分辨率。事实上由于制造技术及成本原因，精确、均匀地在每毫米刻制2400条线已很困难，采用全息技术制造的全息光栅最高可达10000条，但由于槽面成正弦形，使闪耀特性受影响，集光效率下降。
1949年美国麻省理工学院的Harrison教授摆脱常规光栅的设计思路，从增加衍射角(，利用“短槽面”获得高衍射级次m着手，增加两刻线间距离d的方法研制成中阶梯光栅（Echelle），这种光栅刻线数目较少（8-80条），使用的光谱级次高（m=28-200），具有光谱范围宽、色散率大、分辨率好等突出优点。但由于当时无法解决光谱级次间重叠的问题，在五、六十年代未受到重视，直到七十年代由于实现了交叉色散，将一维光谱变为二维光谱，方得到实际应用，随着九十年代初二维半导体检测器（CID）和(CCD)的应用，中阶梯光栅的优点才在ICP光谱分析中充分的展显出来。
光栅方程d(Sin(+Sin()=mλ 同样也适用于中阶梯光栅。在“自准”（(=(=(）时，m=2d·Sin(/λ。
中阶梯光栅不同于平面光栅，采用刻槽的“短边”进行衍射，即闪耀角(很大（60°- 70°）；采用减少每毫米刻线数，即增大光栅常数d，因此，光谱级次m大大增加。例如IRIS Ad.全谱直读ICP的光栅刻线为52.6条/mm，闪耀角(=64°，可计算出对应λ=175nm的光谱级次m=189级，对应λ=800nm的光谱级次m=42级。
对于衍射级次从42-189时，其闪耀波长分别在800-175nm光谱分析段内，且这些闪耀波长间隔较近，即形成全波长闪耀，如图。
中阶梯光栅的角散率：d(/dλ=(2·tg()/λ
线色散率dl/dλ=(2·f·tg()/λ
分辩率R=λ/(λ=2·W/(λ·Sin()
从上面三个公式可知，中阶梯光栅的角色散率、线色散率和分辩率都与衍射角(有关，并随着(增大而增大。因此，只要取足够大的(值（取闪耀角接近衍射角(=64°），即相当于在较高级次下工作，就能获得很大的角色散率、线色散率和分辩率。
对于一般平面光栅，线色散率dl/dx =(f·m)/d，必须依靠增大仪器的焦距，减小刻线间距（增加刻线条数）来增加线色散率。而中阶梯光栅由于角色散率很大，不必依赖焦距的增加，就能获得较大的线散率。例如焦距1米，3600条/mm的平面光栅在200nm处，一级光谱的倒数线色散率仅为0.22nm/mm，而0.5米焦距，52.6条/mm的中阶梯光栅光谱仪在168级处同一波长的倒线色散率可达0.14nm/mm。由于中阶梯光栅的角色散率足够大，焦距反而可缩小（如0.5米），因此，仪器光室的体积大为缩小，使相对孔径变大，光谱光强也得到提高。
由于线色散率大，中阶梯光栅每一级光谱的波长范围相当小，在这个范围内各波长的衍射角基本一致，而且各级基本上是在同一角度下（闪耀角）观察整个波长范围，所以均可达到很大闪耀强度，即“全波长闪耀”（见上图）。另外，这种中阶梯光栅它们相邻的衍射光谱级次之间的能量分布如右图所示，从图中可以看出，同一波长的入射光的能量多被分布在两个相邻衍射光谱的级次里，由于最佳闪耀波段两侧能量锐减，如图中虚线下方所示。故入射光强能量几乎都被集中到如图中虚线上方的闪耀波段中的该波长上，由此可知，中阶梯光栅在175-800nm全波段范围内均有很强的能量分布，中阶梯光栅其光谱图象可聚焦在200mm2的焦面上，非常适合于半导体检测器来检测谱线。
中阶梯光栅光谱仪各级之间的重叠用交叉色散棱镜的办法来解决，即棱镜的色散方向与中阶梯光栅的色散方向互相垂直，这样在仪器的焦面上形成二维光谱图象（如图所示）。以IRIS Advantage ER/S为例：其光路如图所示。其焦距0.5米，中阶梯光栅刻线52.6条/mm，闪耀角64.1°，在42-189级时，其波长范围175-800nm连接起来总长将近4米。

凹面光栅
凹面光栅是1882年罗兰（Rowland）提出的，它是刻划在球面的一系列等距刻槽的反射式衍射光栅。与平面光栅必须借助成像系统来形成谱线不同，凹面光栅在光路中兼具色散和聚焦两种作用，因此在凹面光栅光谱仪中就只有狭缝、凹面光栅和检测器组成，光路紧凑（如图）。今天绝大部分直读式光谱仪（包括火花、多通道ICP）均采用凹面光栅作为色散元件，但凹面光栅的象散问题是比较严重的。

光栅的误差
在刻制光栅时，要求每条刻线必须很直，各刻线间严格地相互平行与等距，刻槽的几何形状必须完全一致。尽管光栅刻划机属精密机械之王，并在相当严格的环境下工作，但仍不可避免地存在机械误差，因而在机刻光栅的光谱中会出现一些不真实的谱线称为鬼线或伴线。
平面反射光栅都由机刻光栅（母光栅）复制而成，因而鬼线的出现，是这种光栅不可避免的缺陷。

全息光栅
随着全息激光技术的发展，出现了采用激光干涉照相法制作的衍射光栅，这种光栅称为全息光栅。
在磨制好的光栅毛坯上均匀涂布一层光敏物质，然后置于同一单色光源的两束激光干涉场中曝光。把明暗相同的干涉条纹记录在光敏层上。将已爆光的坯基浸入一种特殊的溶液中，涂层各部分由于所接受的曝光量不同而受到不同程度的溶蚀，从而在坯基上出现了与干涉条纹相当的槽线，最后在真空中镀上反射铝膜和保护膜就制成全息光栅。
全息光栅的特点为：（1）无鬼线，杂散光极小。（2）衍射效率较低，全息光栅的槽形通常为近似正弦波形，这种槽形不具备闪耀条件，没有明显的闪耀特性。据称，采用“离子蚀刻”技术的全息光栅，使光栅衍射效率得到较大提高。（3）分辨率高。由于全息技术使光栅刻线总数大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高。

检测器——光电转换器件
光电转换器件是光电光谱仪接收系统的核心部分，主要是利用光电效应将不同波长的辐射能转化成光电流的信号。光电转换器件主要有两大类：一类是光电发射器件，例如光电管与光电倍增管，当辐射作用于器件中的光敏材料上，使发射的电子进入真空或气体中，并产生电流，这种效应称光电效应；另一类是半导体光电器件，包括固体成像器件，当辐射能作用于器件中光敏材料时，所产生的电子通常不脱离光敏材料，而是依靠吸收光子后所产生的电子-空穴对在半导体材料中自由运动的光电导（即吸收光子后半导体的电阻减小，而电导增加）产生电流的，这种效应称内光电效应。
光电转换元件种类很多，但在光电光谱仪中的光电转换元件要求在紫外至可见光谱区域（160-800nm）很宽的波长范围内有很高的灵敏度和信噪比，很宽的线性响应范围，以及快的响应时间。
目前可应用于光电光谱仪的光电转换元件有以下两类：即光电倍增管及固体成像器件。

光电倍增管
外光电效应所释放的电子打在物体上能释放出更多的电子的现象称为二次电子倍增。光电倍增管就是根据二次电子倍增现象制造的。它由一个光阴极、多个打拿极和一个阳极所组成，见图，每一个电极保持比前一个电极高得多的电压（如100V）。当入射光照射到光阴极而释放出电子时，电子在高真空中被电场加速，打到第一打拿极上。一个入射电子的能量给予打拿极中的多个电子，从而每一个入射电子平均使打拿极表面发射几个电子。二次发射的电子又被加速打到第二打拿极上，电子数目再度被二次发射过程倍增，如此逐级进一步倍增，直到电子聚集到管子阳极为止。通常光电倍增管约有十二个打拿极，电子放大系数（或称增益）可达108，特别适合于对微弱光强的测量，普遍为光电直读光谱仪所采用。
光电倍增管的窗口可分为侧窗式和端窗式两种


光电倍增管的基本特性
1) 灵敏度和工作光谱区
    光电倍增管的灵敏度和工作光谱区主要取决于光电倍增管阴极和打拿极的光电发射材料。当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才发生电子的光电发射，即1/2mv2=h(-ф,( h(为光子能量，ф为电子的表面功函数，1/2mv2为电子动能)。当h(<ф时，不会有表面光电发射，而当h(=ф时，才有可能发生光电发射，这时所对应的光的波长λ=C/(称为这种材料表面的阈波长。随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。显然，光电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。一般用于可见-红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于紫外光谱区的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱金属材料，如红外谱区选用银-氧-铯阴极，可见光谱区用锑-铯阴极或铋-银-氧-铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极或梯-碲阴极。
光电倍增管的灵敏度S是指在1lm的光通量照射下所输出的光电流强度，即S=i/F，单位为μA/lm。显然，灵敏度随入射光的波长而变化，这种灵敏度称为光谱灵敏度，而描述光谱灵敏度随波长而变化的曲线称为光谱响应曲线(见右图)，由此可确定光电倍增管的工作光谱区和最灵敏波长。例如我们常用的R427光电倍增管，其曲线偏码为250S，光谱响应范围为160-320nm，峰值波长200nm，光阴极材料Cs-Te，窗口材料为熔炼石英，典型电流放大率3.3×106。
2) 暗电流与线性响应范围
光电倍增管在全暗条件下工作时，阳极所收集到的电流称为暗电流。对某种波长的入射光，光电倍增管输出的光电流为： i= KIi+i0 ，式中，Ii对应于产生光电流i的入射光强度，k为比例系数，i0为暗电流。由此可见，在一定的范围内，光电流与入射光强度呈线性关系，即为光电倍增管的线性响应范围。当入射光强度过大时，输出的光电流随光强的增大而趋向于饱和（见右图）。线性响应范围的大小与光阴极的材料有关。
暗电流的来源主要是由于极间的欧姆漏阻、阴极或其他部件的热电子发射以及残余气体的离子发射、场致发射和玻璃闪烁等引起。
当光电倍增管在很低电压下工作时，玻璃芯柱和管座绝缘不良引起的欧姆漏阻是暗电流的主要成分，暗电流随工作电压的升高成正比增加；当工作电压较高时，暗电流主要来源于热电子发射，由于光电阴极和倍增极材料的电子溢出功很低，甚至在室温也可能有热电子发射，这种热电子发射随电压升高暗电流成指数倍增；当工作电压较高时，光电倍增管内的残余气体可被光电离，产生带正电荷的分子离子，当与阴极或打拿极碰撞时可产生二次电子，引起很大的输出噪声脉冲，另外高压时在强电场作用下也可产生场致发射电子引起噪声，另外当电子偏离正常轨迹打到玻壳上会出现闪烁现象引起暗电流脉冲，这一些暗电流均随工作电压升高而急剧增加，使光电倍增管工作不稳定，因此为了减少暗电流，对光电倍增管的最高工作电压均加以限制。
3) 噪声和信噪比
在入射光强度不变的情况下，暗电流和信号电流两者的统计起伏叫做噪声。这是由光子和电子的量子性质而带来的统计起伏以及负载电阻在光电流经过时其电子的热骚动引起的。输出光电流强度与噪声电流强度之比值，称为信噪比。显然，降低噪声，提高信噪比，将能检测到更微弱的入射光强度，从而大大有利于降低相应元素的检出限。
4) 工作电压和工作温度
光电倍增管的工作电压对光电流的强度有很大的影响，尤其是光阴极与第一打拿极间的电压差对增益（放大倍数）、噪声的影响更大。因此，要求电压的波动不得超过0.05%，应采用高性能的稳压电源供电，但工作电压不许超过最大值（一般为-900v-1000v），否则会引起自发放电而损坏管子，工作环境要求恒温和低温，以减小噪声。
5) 疲劳和老化
在入射光强度过大或照射时间过长时，光电倍增管会出现光电流衰减、灵敏度骤降的疲劳现象，这是由于过大的光电流使电极升温而使光电发射材料蒸发过多所引起。在停歇一段时间后还可全部或部分得到恢复。光电倍增管由于疲劳效应而灵敏度逐步下降，称为老化，最后不能工作而损坏。过强的入射光会加速光电倍增管的老化损坏，因此，不能在工作状态下（光电倍增管加上高压时）打开光电直读光谱仪的外罩，在日光照射下，光电倍增管很快便损坏。

光电测量原理
光电检测的原理一般是通过光电接受元件将待测谱线的光强转换为光电流，而光电流由积分电容累积，其电压与入射光的光强成正比，测量积分电容器上的电压，便获得相应的谱线强度的信息。不同的仪器其检测装置具有不同的类型，但其测量原理是一样的。其光电检测系统主要有以下四个部分组成：1.光电转换装置，2.积分放大电路及其开关逻辑检测，3.A/D转换电路，4.计算机系统。

固态成像器件
固态成像器件是新一代的光电转换检测器，它是一类以半导体硅片为基材的光敏元件制成的多元阵列集成电路式的焦平面检测器，属于这一类的成像器件，目前较成熟的主要是电荷注入器件（CID）、电荷耦合器件（CCD）。(见图)
Denton与其同事们是将电荷耦合与电荷注入检测器（Charge-Coupled Detector and Charge-Injection Detector，简称CCD与CID）用于原子光谱分析的主要推动者。在这两种装置中，由光子产生的电荷被收集并储存在金属-氧化物-半导体（MOS）电容器中，从而可以准确地进行象素寻址而滞后极微。这两种装置具有随机或准随机象素寻址功能的二维检测器。可以将一个CCD看作是许多个光电检测模拟移位寄存器。在光子产生的电荷被贮存起来之后，它们近水平方向被一行一行地通过一个高速移位寄存器记录到一个前置放大器上。最后得到的信号被贮存在计算机里。
CCD器件的整个工作过程是一种电荷耦合过程，因此这类器件叫电荷耦合器件。对于CCD器件，当一个或多个检测器的象素被某一强光谱线饱和时，便会产生溢流现象。即光子引发的电荷充满该象素，并流入相邻的象素，损坏该过饱和象素及其相邻象素的分析正确性，并且需要较长时间才能便溢流的电荷消失。为了解决溢流问题，应用于原子光谱分析的CCD器件，在设计过程中必须进行改进，例如：进行分段构成分段式电荷耦合器件（SCD），或在象表上加装溢流门，并结合自动积分技术等。
CID是一种电荷注入器件（Charge-Injected Device），其基本结构与CCD相似，也是一种MOS结构，当栅极上加上电压时，表面形成少数载流子（电子）的势阱，入射光子在势阱邻近被吸收时，产生的电子被收集在势阱里，其积分过程与CCD一样。
CID与CCD的主要区别在于读出过程，在CCD中，信号电荷必须经过转移，才能读出，信号一经读取即刻消失。而在CID中，信号电荷不用转移，是直接注入体内形成电流来读出的。即每当积分结束时，去掉栅极上的电压，存贮在势阱中的电荷少数载流子（电子）被注入到体内，从而在外电路中引起信号电流，这种读出方式称为非破坏性读取（Non-Destructive Read Out）,简称：NDRO;CID的NDRO特性使它具有优化指定波长处的信噪比（S/N）的功能。

同时CID可寻址到任意一个或一组象素，因此可获得如“相板”一样的所有元素谱线信息
与传统的光电转换器件相比，应用于原子光谱的CID和CCD具有很高的光电效应和量子效率，在-40度的低温下，暗电流很小，检测速度快，线性范围可达107-9，可制成平面陈列结构，体积小，具有天然的多通道同时测定及二维测量的特点，因此很受光谱学者的关注。自90年代初以来，随着制造技术的成熟、性能的提高，固态成像器件已成为原子发射光谱最理想的光电转换器件。

光栅方程
根据光的衍射和干涉原理，当平行光束以α角入射于光栅时，则在符合下述方程的角β方向上获得最大光强。
d(sinα+sinβ)=m(  (m=0 ±1 ±2)
其中d-光栅常数，即相邻两缝的间距，α-入射角，β-出射角，m-衍射级次，或称为光谱级次，(-衍射光的波长。

原子的壳层结构
　　原子是由原子核与绕核运动的电子所组成。每一个电子的运动状态可用主量子数n、角量子数l、磁量子数ml 和自旋量子数mi 等四个量子数来描述。
主量子数n，决定了电子的主要能量E。
角量子数l，决定了电子绕核运动的角动量。电子在原子核库仑场中在一个平面上绕核运动，一般是沿椭圆轨道运动，是二自由度的运动，必须有两个量子化条件。这里所说的轨道，按照量子力学的含义，是指电子出现几率大的空间区域。对于一定的主量子数n，可有n个具有相同半长轴、不同半短轴的轨道，当不考虑相对论效应时，它们的能量是相同的。如果受到外电磁场或多电子原子内电子间的相互摄动的影响，具有不同l的各种形状的椭圆轨道因受到的影响不同，能量有差别，使原来简并的能级分开了，角量子数l最小的、最扁的椭圆轨道的能量最低。
磁量子数ml，决定了电子绕核运动的角动量沿磁场方向的分量。所有半长轴相同的在空间不同取向的椭圆轨道，在有外电磁场作用下能量不同。能量大小不仅与n和l有关，而且也与ml有关。
自旋量子数ms,决定了自旋角动量沿磁场方向的分量。电子自旋在空间的取向只有两个，一个顺着磁场；另一个反着磁场，因此，自旋角动量在磁场方向上有两个分量。

光谱仪光学部件知识 [原]

光谱仪的分光（色散）系统
复合光经色散元素分光后，得到一条按波长顺序排列的光谱，能将复合光束分解为单色光，并进行观测记录的设备称为光谱仪。无论是在单道扫描型还是多通道型或全谱直读型的任何光谱仪中，通常都希望：
(a) 有适当的波长范围和波长选择，
(b) 能从被检测的辐射源的特定区域里采集尽可能多的光。
为达到这两个目标，系统将包括：
(a) 一个入射狭缝；它提供与狭缝尺寸相同的的辐射光带，
(b) 一个能产生一束平行光的准直器，
(c) 一个或两个组合的色散元件，
(d) 一个能使被色散的特定狭窄光带重显的聚焦元件，
(e) 一个或多个能使所需光带分离的出射狭缝（全谱直读型仪器无需出射狭缝）。
在光谱仪的分光系统中，采用的色散元件几乎全都是光栅，在一些高分辨率的系统中，棱镜也是分光系统中的一个组成部件。