棱镜vs光栅：分光系统的原理与选择
本文导读：分光系统是光谱仪的核心组件，决定了光谱仪的分光能力和性能上限。在现代光谱仪中，棱镜和光栅是最主要的两种分光元件。作为专业的光谱仪生产厂家，辰昶仪器（choptics.com）为您提供基于不同分光原理的光谱仪产品。本文详细解析棱镜和光栅的分光原理、特点和选型要点。
一，分光系统概述
1.1 什么是分光系统？
分光系统（Dispersion System）是将复色光分解为不同波长单色光的组件，是光谱仪的"心脏"。
分光原理： 白光（含多种波长） → 分光系统 → 不同波长光分离 复色光进入 → 按波长展开 → 输出连续光谱
1.2 分光系统的评价指标
| 指标 | 说明 | 重要性 |
|---|---|---|
| 色散 | 波长展开程度 | 高 |
| 分辨率 | 区分相邻波长能力 | 高 |
| 效率 | 光能利用率 | 高 |
| 杂散光 | 非目标光干扰 | 中 |
| 波长范围 | 覆盖波段 | 高 |
二，棱镜分光原理
2.1 棱镜分光的历史
棱镜是最早使用的分光元件。1666年牛顿用棱镜分解阳光，开启了光谱学时代。
2.2 分光原理
棱镜基于色散原理工作：
色散原理： 不同波长光在介质中的折射率不同 n(λ) = A + B/λ² + C/λ⁴ + ... 短波长 → 大折射率 → 大偏折角 长波长 → 小折射率 → 小偏折角
2.3 棱镜的材料
| 材料 | 透光范围 | 特点 |
|---|---|---|
| 熔融石英 | 200-2500nm | UV区性能好 |
| 玻璃（BK7） | 350-2000nm | 成本低，Vis区 |
| 蓝宝石 | 150-4500nm | 耐高温，UV-IR |
| CaF₂ | 130-10000nm | 红外区优异 |
2.4 棱镜的特点
优点：
- 无级次光谱
- 透光率高
- 结构简单，成本较低
- 无偏振依赖性
缺点：
- 非线性色散
- 尺寸限制
- 温度敏感
三，光栅分光原理
3.1 光栅结构
光栅是在透明或反射基底上刻有大量等间距平行刻槽的元件。
3.2 光栅方程
d(sin θm ± sin θi) = mλ d：光栅常数（刻线间距） θi：入射角 θm：衍射角（m级） m：衍射级次（0, ±1, ±2...） λ：波长
3.3 光栅分类
| 类型 | 说明 | 特点 |
|---|---|---|
| 透射光栅 | 光透过刻槽 | UV区常用 |
| 反射光栅 | 光从刻槽反射 | Vis-NIR区常用 |
| 闪耀光栅 | 能量集中到特定级次 | 高效率 |
| 全息光栅 | 干涉曝光制作 | 低杂散光 |
四，闪耀光栅
4.1 什么是闪耀光栅？
闪耀光栅（Blazed Grating）是优化设计的光栅，将衍射能量集中到特定波长和级次：
闪耀原理： 刻槽面作为反射镜 入射角 ≈ 衍射角（闪耀角） 能量从0级转移到m级
4.2 闪耀方程
2d sin θB cos φ = mλB θB：闪耀角 φ：入射与衍射光线夹角的一半 λB：闪耀波长
4.3 闪耀光栅的优势
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 高效率 | 可达80-90%（理论极限） |
| 波段优化 | 针对特定波长设计 |
| 级次控制 | 减少杂散光 |
五，光栅参数详解
5.1 刻线密度
| 密度 | 适用波段 | 分辨力 |
|---|---|---|
| 300 线/mm | UV-IR宽波段 | 中等 |
| 600 线/mm | Vis-NIR | 较高 |
| 1200 线/mm | Vis | 高 |
| 1800 线/mm | Vis-UV | 很高 |
| 2400+ 线/mm | UV | 极高 |
5.2 光栅分辨力
理论分辨力：R = mN
m：衍射级次
N：光栅总刻线数
例：1200线/mm × 50mm宽光栅 = 60000总刻线
若使用1级衍射，R = 60000
在500nm处，Δλ = 500/60000 ≈ 0.008nm
六，棱镜vs光栅对比
6.1 性能对比
| 特性 | 棱镜 | 光栅 |
|---|---|---|
| 色散特性 | 非线性 | 线性 |
| 分辨力 | UV区高，IR区低 | 全波段均匀 |
| 效率 | 较高 | 可优化（闪耀） |
| 杂散光 | 低 | 中等（高质量） |
| 温度敏感性 | 高 | 低 |
| 偏振效应 | 无 | 有 |
| 成本 | 低-中 | 中-高 |
6.2 应用对比
| 应用 | 推荐 | 原因 |
|---|---|---|
| 宽波段UV-Vis | 光栅 | 线性色散 |
| 高分辨率UV | 棱镜或高密度光栅 | UV区色散大 |
| 红外光谱 | 光栅 | 棱镜材料限制 |
| 低杂散光要求 | 棱镜 | 无衍射级次 |
| 紧凑设计 | 光栅 | 可小型化 |
| 成本敏感 | 棱镜 | 成本较低 |
七，辰昶仪器分光方案
7.1 产品分光配置
辰昶仪器的微型光纤光谱仪采用先进的光栅分光系统：
| 产品系列 | 光栅配置 | 特点 |
|---|---|---|
| 通用型 | 600线/mm | 宽波段，平衡性能 |
| 高分辨型 | 1200-1800线/mm | 高分辨率 |
| UV优化型 | UV优化光栅 | 紫外区性能优异 |
| NIR扩展型 | NIR优化光栅 | 近红外增强 |
7.2 为什么选择光栅？
- 线性色散：波长与位置成线性关系
- 紧凑设计：适合微型光谱仪
- 灵活定制：可优化特定波段
- 成熟技术：可靠性高
八，实际选型建议
8.1 常见应用场景选型
| 应用 | 推荐分光方案 | 关键参数 |
|---|---|---|
| 常规吸收光谱 | 600线/mm光栅 | 分辨率1-2nm |
| 颜色测量 | 300线/mm光栅 | 宽波段 |
| 荧光检测 | 高效闪耀光栅 | 优化激发波长 |
| 拉曼光谱 | 专用光栅 | 针对激光波长 |
| 高端科研 | 可变光栅 | 高分辨力 |
8.2 避免常见误区
- 误区一：分辨率越高越好 — 高分辨率通常意味着窄狭缝和低光通量
- 误区二：只看光栅参数 — 光栅效率曲线同样重要
- 误区三：忽视温度影响 — 高精度测量需考虑温漂
九，总结
棱镜和光栅各有优缺点，选择时应综合考虑：
| 要点 | 说明 |
|---|---|
| 棱镜优势 | 无级次、低杂散光，成本较低 |
| 光栅优势 | 线性色散、高分辨力、紧凑设计 |
| 选择原则 | 根据波段、分辨率，成本综合考虑 |
| 辰昶方案 | 提供多种分光配置满足不同需求 |
作为专业的光谱仪生产厂家，辰昶仪器（choptics.com）的光谱仪产品采用高品质光栅分光系统，并根据不同应用需求优化配置。
整理日期：2026年6月 | 来源：choptics.com