一束陽光看著是白的，實際上混著從紅到紫的許多種波長。想知道里面到底有哪些成分、各占多少，靠眼睛辦不到——得把它按波長攤開。干這件事的儀器叫光譜儀。

攤開的辦法本質上只有兩種：一種靠折射，讓不同波長走不同的路；另一種靠衍射，讓不同波長拐不同的角。前者是棱鏡，后者是光柵。兩種路線至今并存，各有各的地盤。

這一篇順著「怎么拆、怎么搭、怎么讀」走一遍，說說各自的脾性和容易踩的坑。

一、兩種拆法：一種靠折射，一種靠衍射

棱鏡的路子最古老。材料的折射率隨波長變，波長越短折射率越大，于是在界面上偏折得更厲害。白光進去，紫光拐得最狠、紅光最平緩，出來就扇成一片。

光柵則是另一套邏輯。它表面刻著密密麻麻的平行刻線，光穿過或反射后，各條刻線發出的次波互相干涉——只有在某些特定方向上干涉加強，其他方向都抵消掉。而加強的方向取決于波長，于是不同波長各自朝不同方向去了。

圖1：一種靠折射，一種靠衍射

兩者的差別決定了各自的地盤。棱鏡沒有多級、不會重疊，但色散是非線性的——長波那一頭擠成一團，短波這一頭又拉得太開，波長標定起來麻煩。光柵的色散接近線性、分辨率能做得很高，代價是存在多級衍射，容易重疊。

選材上也有講究：紫外波段常用棱鏡或反射光柵，可見與近紅外則大多是光柵的天下。至于光柵的硬指標刻線密度，每毫米幾百到幾千條不等——刻線越密，同樣角度差對應的波長差越小，分得越細；但太密了可用波段會變窄，還更容易撞上多級重疊。

二、棱鏡：折射率隨波長變

棱鏡背后是那個熟悉的經驗公式n(λ) = A + B/λ2。波長 λ 越小，折射率 n 越大，光在界面上偏折得越厲害。

這個平方關系帶來一個后果：色散在短波端特別劇烈，長波端則平緩得多。用棱鏡做光譜儀，紅端那一大段波長會被壓縮在很小的角度范圍里，紫端則攤得很開——標定曲線因此是彎的，不是直線。

棱鏡有個光柵比不了的好處：沒有多級衍射。它只產生一束分光后的光，干干凈凈，不用擔心哪個波長和另一個撞車。加上結構簡單、沒有刻線帶來的雜散光，在某些講究信噪比的場合反而更受歡迎。

三、光柵：靠干涉挑方向

光柵的行為由那個方程管著：d(sinα + sinβ) = mλ。其中 d 是刻線間距，α 是入射角，β 是衍射角，m 是衍射級次（0、±1、±2……）。

圖2：角度怎樣對應波長

式子里最要緊的是 m。m = 0 時所有波長都朝同一方向走，等于沒分光——這是零級。真正干活的是 ±1 級，能量也主要集中在這里。

麻煩也出在 m 上：同一角度下，λ 的一級與 λ/2 的二級會落在同一位置。這就是多級重疊——光譜圖上某個峰，可能根本不是你想的那個波長。

對付它有三招。最省事的是加濾光片，把不該出現的級次擋在門外；講究一點用閃耀光柵，把刻槽做成特定角度，讓能量集中到某一級，其他級自然就弱了；還有一招是限制波段，儀器本身按窄波段設計，撞車的概率自然小。

四、光譜儀內部：五步走完

不管用棱鏡還是光柵，一臺光譜儀內部的光路大致是同一個套路，五步走完。

圖3：五步走完

第一步是入射狹縫。它決定進多少光，也決定最終的分辨率——狹縫越窄，成像越清晰，但進光越少、信號越暗。這是光譜儀里最基礎的一對矛盾。

第二步準直。從狹縫出來的光是發散的，得先用凹面鏡把它變成平行光，后面光柵才好按角度分光。

第三步就是色散，核心環節，把不同波長甩到不同角度上。

第四步聚焦，把分開的各路光聚到探測器陣列的不同位置。

第五步探測——陣列上每個像素對應一個波長，讀出的強度就是該波長的分量。

有一個細節容易忽略：像素位置與波長的對應關系是靠標定確定的。儀器出廠時標一次，之后得定期用標準譜線（比如汞燈、氖燈的已知譜線）再校一遍。溫度漂移、機械位移都會讓這個對應關系慢慢跑掉。

五、分辨率：多近的兩條線還能分開

光譜儀最核心的指標是分辨率——兩個波長差多小的時候，還能被數成兩條而不是一條。通常用 R = λ/Δλ 表示，也有直接標 Δλ 的（比如 0.1 nm）。

圖4：多近的兩條線還能分開

判斷「分開了沒有」有個經典約定，叫瑞利判據：當一個峰的峰頂正好落在另一個峰的第一零點上時，算剛好能分辨。此時中間的谷大約是峰高的 81%，肉眼看著還有明顯凹陷。

影響分辨率的主要是三件事。狹縫越窄分得越細，但進光越少、越暗；光柵刻線越密色散越強；聚焦鏡焦距越長，譜線在陣列上攤得越開。三者的取舍，本質上是用光通量換分辨率——想要又亮又細，就得在其他地方下本錢。

六、拿到一張光譜，能讀出這幾個數

光譜圖畫出來是強度對波長的曲線。從這張圖上能讀出的信息，常用的有這幾個。

圖5：能讀出這幾個數

最直白的是峰值波長——曲線最高點對應的波長。對單色光源來說這就是它的中心波長。

常看的還有半高寬 FWHM：峰高一半處的寬度。它描述這束光有多純——激光的半高寬可以做到幾兆赫茲甚至更窄，而發光二極管往往有幾十納米。半高寬越窄，說明波長越單一。

再一個是邊模抑制比：主峰與最高邊模之比，用 dB 表示。激光器尤其看重這個數——旁邊冒出一個不該有的峰，說明腔里還有別的模式在振蕩。

還有兩件事必須留意。一是波長標定：像素位置與波長的對應關系靠標準譜線定，要定期校準。二是強度校準：探測器對不同波長的響應本來就不一樣，想看真實的光譜形狀，得先除掉這條響應曲線。另外動態范圍是個硬指標——太強的峰會通過雜散光淹沒旁邊的弱峰，測弱信號時這一點特別要命。

七、測波長該拿哪臺

同樣是「測波長」，不同設備干的事差別很大，別拿混了。

光譜分析儀看的是整條光譜的強度分布，是最-常-用的一種；波長計則只測中心波長，但測得極準——干涉式的能到幾兆赫茲精度，代價是看不了完整的譜形。

單色儀的特別之處在于，它輸出的是光而不是數據：從寬譜里挑出一個窄帶單色光，供后面的實驗用。光纖光譜儀勝在小巧、接光纖即用，指標比臺式的弱一些，勝在方便。

到了窄線寬測量，就得請干涉儀出場——它測的是線寬和相干長度，自由光譜范圍和精細度是兩個關鍵數。至于功率計，它只測總功率、完-全不分波長，想看成分還得上光譜儀。

圖6：測波長該拿哪臺

光譜儀通常按波段分——可見、近紅外、中紅外各配一套光柵與探測器，材料與鍍膜都不一樣。買之前先確認波段，別拿到手才發現對不上。還有成像光譜儀，每個像素都帶一條譜，把空間信息和波長信息一起測了，在遙感與顯微里很吃得開。

八、總結

光譜儀做的事情說到底很樸素：把混在一起的光，按波長攤成一條，然后數一數每個位置有多亮。

拆光只有兩條路——棱鏡靠折射率隨波長變，光柵靠干涉挑方向，前者無多級但非線性，后者線性且分辨率高但要防重疊；

一臺光譜儀內部走完狹縫、準直、色散、聚焦、探測五步，狹縫越窄分得越細卻也越暗；

而讀光譜要看的是峰值波長、半高寬與邊模抑制比，讀數前先確認波長和強度都校準過。

有意思的是，這臺儀器里最貴的未必是核心的色散元件。光柵本身不算貴，真正花錢的地方往往在探測器陣列、低雜散光的設計，以及那條能把位置精確對應到波長的標定曲線上。

下次覺得測出來的譜不對勁，不妨先查這幾樣：波長標定過期沒有、狹縫是不是開太大、有沒有強峰把弱峰淹了、以及會不會撞上了多級衍射。多半就在這幾步里。