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復(fù)合光經(jīng)色散元素分光后，得到一條按波長(zhǎng)順序排列的光譜，能將復(fù)合光束分解為單色光，并進(jìn)行觀測(cè)記錄的設(shè)備稱為光譜儀。無論是在單道掃描型還是多通道型或全譜直讀型的任何光譜儀中，通常都希望：(a)有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)選擇，(b)能從被檢測(cè)的輻射源的特定區(qū)域里采集盡可能多的光。為達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，系統(tǒng)將包括：(a)一個(gè)入射狹縫；它提供與狹縫尺寸相同的的輻射光帶，(b)一個(gè)能產(chǎn)生一束平行光的準(zhǔn)直器，(c)一個(gè)或兩個(gè)組合的色散元件，(d)一個(gè)能使被色散的特定狹窄光帶重顯的聚焦元件，(e)一個(gè)或多個(gè)能使所需光帶分離的出射狹縫（全譜直讀型儀器無需出射狹縫）。在ICP光譜儀的分光系統(tǒng)中，采用的色散元件幾乎全都是光柵，在一些高分辨率的系統(tǒng)中，棱鏡也是分光系統(tǒng)中的一個(gè)組成部件。
1 、衍射光柵
平行、等寬而又等間距的多縫裝置稱為衍射光柵。它是利用光的衍射和干涉現(xiàn)象進(jìn)行分光的一種色散元件，衍射光柵有透射式和反射式兩種，光譜儀常用的是反射光柵，它的縫是不透明的反射鋁膜。在一塊極其平整的毛壞上鍍上鋁層，刻上許多平行、等寬而又等距的線槽，每條線槽起著一個(gè)“狹縫”的作用，每毫米刻線有1200條、2400條或3600條，整塊光柵的刻線總數(shù)幾萬條到幾十萬條。
反射光柵從形狀上可分為平面光柵，凹面光柵和階梯光柵，從制作方法上又可分為機(jī)刻光柵和全息光柵。
在一般的反射光柵中，由于光柵衍射中沒有色散能力的零級(jí)衍射的主極大占去衍射光強(qiáng)的大部分（80%以上），隨著主極大的級(jí)次增高，光強(qiáng)迅速減弱（見右圖）。因此，使用這種反射光柵時(shí)，其一較弱，二級(jí)衍射更弱。為解決這個(gè)問題，將光柵的線槽刻成鋸齒形，使其具有定向“閃耀”能力，把能量集中分布在所需的波長(zhǎng)范圍。光柵復(fù)制技術(shù)的發(fā)展，大大降低了生產(chǎn)成本并縮短生產(chǎn)周期，使光柵得到廣泛應(yīng)用。
2、ICP等離子體發(fā)射光譜儀的反射光柵
1) 光柵方程
根據(jù)光的衍射和干涉原理，當(dāng)平行光束以α角入射于光柵時(shí)，則在符合下述方程的角β方向上獲得最大光強(qiáng)。
d(sinα+sinβ)=ml (m=0 ±1 ±2)
其中d-光柵常數(shù)，即相鄰兩縫的間距，α-入射角，β-出射角，m-衍射級(jí)次，或稱為光譜級(jí)次，l-衍射光的波長(zhǎng)。
2) 平面反射光柵的特點(diǎn)
a) 根據(jù)光柵方程，當(dāng)光柵常數(shù)d為定值時(shí)，對(duì)于同一方向（α一定）入射的復(fù)合光在同級(jí)光譜（m一定）中，不同波長(zhǎng)l有不同的衍射角β與之對(duì)應(yīng)，因而可在不同的衍射方向之獲得不同波長(zhǎng)的譜線（主極大）。這就是光柵的色散原理。
b) 對(duì)一定波長(zhǎng)l的單色光而言，在光柵常數(shù)d和入射角α固定時(shí)，對(duì)于不同級(jí)次m(m=0 ±1 ±2……)可得到不同角β的衍射光，即同一波長(zhǎng)可以有不同級(jí)次的譜線（主極大）。
c) 對(duì)于復(fù)合光，當(dāng)m=0時(shí)，在β=-α的方向上，任何波長(zhǎng)都可使光柵方程成立，即在此方向上，光柵的作用就象一面反射鏡一樣，將得到不被分光的零級(jí)光譜，入射光束中的所有波長(zhǎng)都疊加在零級(jí)光譜中。當(dāng)d和α為固定值時(shí)，對(duì)于不同波長(zhǎng)、不同級(jí)次的光譜，只要其乘積ml等于上述定值，則都可以在同一衍射角β的方向上出現(xiàn),即
m1l1=m2l2= m3l3=……
例如，一級(jí)光譜中波長(zhǎng)為l的譜線和波長(zhǎng)為l/2的二級(jí)譜線，波長(zhǎng)為l/3的三級(jí)譜線……重疊在一起（如圖）。這種現(xiàn)象稱為光譜級(jí)次的重疊。它是光柵光譜的一個(gè)缺點(diǎn)，對(duì)光譜分析不利，應(yīng)設(shè)法予以清除。在平面光柵光譜儀中，常用不同顏色的濾光片來消除這種級(jí)次重疊。同時(shí)為了獲得足夠的光能量，在ICP光譜分析中，通常選擇第一級(jí)（m=1）或第二級(jí)次（m=2）的光譜譜線。
3) 平面光柵光譜儀的主要性能
a) 色散率：光譜在空間按波長(zhǎng)分離的程度稱為色散率，其表示方法有角色散率（dβ/dl）和線色散率（dl/dl）兩種，通常以線色散率倒數(shù)dl/dl表示儀器的色散能力，其單位為nm/mm。
光柵的角散率：dβ/dl=m/(d٠cosβ)
由此可見，角色散率與光譜級(jí)次m成正比。對(duì)于給定的波長(zhǎng)范圍，由于平面光柵的β較小（0-8°），cosβ變化不大（1-0.99），因而在同一個(gè)級(jí)次下，角色散率幾乎不變；二級(jí)光譜的角色散率為一級(jí)光譜角色散率的兩倍。
在Ebert裝置的平面光柵儀中，焦平面與光軸垂直, β=0-8°時(shí)，cosβ»1。此時(shí)線色散率倒數(shù)為：
dλ/dl@d/(f·m) f為成像物鏡的焦距。
可見，線色散率倒數(shù)與成像物鏡的焦距f、衍射光譜級(jí)次m成反比，即采用長(zhǎng)焦距和高衍射級(jí)次的光譜有利于提高線色散率。同時(shí)平面光柵光譜儀的線色散率倒數(shù)只有在β角很小的情況下才接近常數(shù)，即隨波長(zhǎng)的增加，線色散率倒數(shù)幾乎不變。
b) 分辨率：儀器的分辨率又稱分辯本領(lǐng)，是指儀器兩條波長(zhǎng)相差極小的譜線，按Rayleigh原則可分開的能力。所謂Rayleigh原則，指一條譜線的強(qiáng)度極大值恰好落在另一條強(qiáng)度相近的譜線的強(qiáng)度極小值處，若此時(shí)這兩條譜線剛能被分開，則這兩條譜線的平均波長(zhǎng)λ與波長(zhǎng)差Δλ之比值，稱為儀器的理論分辨率R，即R=λ/Δλ。對(duì)于平面光柵，理論分辨率R=λ/Δλ=m·N，由此表明光柵的分辨率為光譜級(jí)次m與總刻線N的乘積，不隨波長(zhǎng)改變而改變。
當(dāng)級(jí)次m增加時(shí)，角色散率、線色散率及分辨率均隨之增加。這時(shí)光柵偏轉(zhuǎn)的角度也越大，它在衍射方向的投影也越少，因而光柵的有效孔徑也隨之越小，因此，光譜強(qiáng)度也相應(yīng)減弱。
實(shí)際分辨率由于受許多客觀誤差因素的影響，總是比理論分辨率差，一臺(tái)單色儀的分辨率是它能分辯的最小波長(zhǎng)間距，這個(gè)波長(zhǎng)間距不但有賴于儀器的分辯本領(lǐng)，而且也與狹縫的寬度、狹縫的高度及光學(xué)系統(tǒng)的完善性有關(guān)。在掃描式單色儀中，分辨率通常用半強(qiáng)度帶寬值報(bào)出（如圖）。
譜線是狹縫的單色像，雖然采用窄狹縫對(duì)提高分辨率有利，但是，如果用太窄的狹縫就會(huì)使光強(qiáng)度明顯地減弱，在平面光柵的ICP光譜儀中用的狹縫寬度一般為20um左右。
3、閃耀光柵
前面介紹的一般光柵具有色能力。但衍射能量的80%左右集中在不分光的零級(jí)光譜中，而有用的一、二級(jí)光譜依次減弱，因而實(shí)用價(jià)值很低。為了克服這一缺點(diǎn)，適當(dāng)?shù)馗淖兎瓷涔鈻诺目滩坌螤睿蛊稹蔼M縫”作用的反射槽面和光柵平面形成一定的傾角e，如圖，即可將入射光的大部分能量集中到所需衍射級(jí)次的某個(gè)衍射波長(zhǎng)附近，該波長(zhǎng)稱為“閃耀波長(zhǎng)”，這種現(xiàn)象稱為光柵的閃耀作用，這種光柵稱為閃耀光柵，也稱小階梯光柵，傾角e為閃耀角。
閃耀光柵的主要好處在于可使光能量集中在第一光譜級(jí)次（m=1）的λb與第二光譜級(jí)次（m=2）的λb/2附近。
a) 在“自準(zhǔn)”條件下（a=b=e），閃耀波長(zhǎng)與閃耀角的關(guān)系為2dSine=m·λbm，可根據(jù)需要的閃耀波長(zhǎng)λbm來設(shè)計(jì)相應(yīng)的閃耀角e。
b) 光柵的閃耀并非只限于閃耀波長(zhǎng)，而是在該閃耀波長(zhǎng)附近的一定范圍內(nèi)也有相當(dāng)程度的閃耀。
c) 如圖表示為閃耀光柵的特性。這種光柵的一級(jí)閃耀波長(zhǎng)λb1=560nm，有86%的光強(qiáng)集中在一級(jí)，而其余14%被分配在零級(jí)和其他各級(jí)中。從該圖可以看出，該光柵的二級(jí)光柵光譜的閃耀波長(zhǎng)λb2=560/2=280nm，實(shí)際上，光強(qiáng)的分布難與理論值完全相符，因?yàn)楣鈻趴叹�形狀不可能精確地控制使其完全一致，圖中表現(xiàn)了兩條曲線的差別。
總之，閃耀光柵可將某一波長(zhǎng)的75-85%的光強(qiáng)集中到某一級(jí)次上，從而消除了一般光柵把光強(qiáng)集中在零級(jí)，而使其他級(jí)次的譜線變得很弱的缺點(diǎn)。
4中階梯光柵（echelle）
線色散率、分辨率、集光本領(lǐng)是評(píng)價(jià)光譜儀性能的重要指標(biāo)，而這些性能又主要取決于所采用的色散元件—光柵，制造高性能的光柵一直是光譜儀技術(shù)追求的目標(biāo)。
從光柵色散率公式可知，在自準(zhǔn)條件下（a=b=e）
dl/dλ=(m·f)/(d·cosb)
提高線色散率可采用長(zhǎng)焦距f、大衍射角b、高光譜級(jí)次m、減少兩刻線間的距離d（提高每毫米刻線數(shù)）。
從光柵分辨率公式可知
R=λ/Dλ=m·N
提高分辨率可增加光柵刻線總數(shù)N、用高衍射級(jí)次來解決。
在常規(guī)的光柵設(shè)計(jì)中，都是通過增加每毫米刻線數(shù)來提高線色散率和分辨率。事實(shí)上由于制造技術(shù)及成本原因，精確、均勻地在每毫米刻制2400條線已很困難，采用全息技術(shù)制造的全息光柵最高可達(dá)10000條，但由于槽面成正弦形，使閃耀特性受影響，集光效率下降。
1949年美國(guó)麻省理工學(xué)院的Harrison教授擺脫常規(guī)光柵的設(shè)計(jì)思路，從增加衍射角b，利用“短槽面”獲得高衍射級(jí)次m著手，增加兩刻線間距離d的方法研制成中階梯光柵（Echelle），這種光柵刻線數(shù)目較少（8-80條），使用的光譜級(jí)次高（m=28-200），具有光譜范圍寬、色散率大、分辨率好等突出優(yōu)點(diǎn)。但由于當(dāng)時(shí)無法解決光譜級(jí)次間重疊的問題，在五、六十年代未受到重視，直到七十年代由于實(shí)現(xiàn)了交叉色散，將一維光譜變?yōu)槎S光譜，方得到實(shí)際應(yīng)用，隨著九十年代初二維半導(dǎo)體檢測(cè)器（CID）和(CCD)的應(yīng)用，中階梯光柵的優(yōu)點(diǎn)才在ICP光譜分析中充分的展顯出來。
光柵方程d(Sina+Sinb)=mλ 同樣也適用于中階梯光柵。在“自準(zhǔn)”（a=b=e）時(shí)，m=2d·Sine/λ。
中階梯光柵不同于平面光柵，采用刻槽的“短邊”進(jìn)行衍射，即閃耀角e很大（60°- 70°）；采用減少每毫米刻線數(shù)，即增大光柵常數(shù)d，因此，光譜級(jí)次m大大增加。例如IRIS Ad.全譜直讀ICP的光柵刻線為52.6條/mm，閃耀角e=64°，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)λ=175nm的光譜級(jí)次m=189級(jí)，對(duì)應(yīng)λ=800nm的光譜級(jí)次m=42級(jí)。
對(duì)于衍射級(jí)次從42-189時(shí)，其閃耀波長(zhǎng)分別在800-175nm光譜分析段內(nèi)，且這些閃耀波長(zhǎng)間隔較近，即形成全波長(zhǎng)閃耀，如圖。
中階梯光柵的角散率：db/dλ=(2·tgb)/λ
線色散率dl/dλ=(2·f·tgb)/λ
分辯率R=λ/Dλ=2·W/(λ·Sinb)
從上面三個(gè)公式可知，中階梯光柵的角色散率、線色散率和分辯率都與衍射角b有關(guān)，并隨著b增大而增大。因此，只要取足夠大的b值（取閃耀角接近衍射角b=64°），即相當(dāng)于在較高級(jí)次下工作，就能獲得很大的角色散率、線色散率和分辯率。
對(duì)于一般平面光柵，線色散率dl/dx =(f·m)/d，必須依靠增大儀器的焦距，減小刻線間距（增加刻線條數(shù)）來增加線色散率。而中階梯光柵由于角色散率很大，不必依賴焦距的增加，就能獲得較大的線散率。例如焦距1米，3600條/mm的平面光柵在200nm處，一級(jí)光譜的倒數(shù)線色散率僅為0.22nm/mm，而0.5米焦距，52.6條/mm的中階梯光柵光譜儀在168級(jí)處同一波長(zhǎng)的倒線色散率可達(dá)0.14nm/mm。由于中階梯光柵的角色散率足夠大，焦距反而可縮小（如0.5米），因此，儀器光室的體積大為縮小，使相對(duì)孔徑變大，光譜光強(qiáng)也得到提高。
由于線色散率大，中階梯光柵每一級(jí)光譜的波長(zhǎng)范圍相當(dāng)小，在這個(gè)范圍內(nèi)各波長(zhǎng)的衍射角基本一致，而且各級(jí)基本上是在同一角度下（閃耀角）觀察整個(gè)波長(zhǎng)范圍，所以均可達(dá)到很大閃耀強(qiáng)度，即“全波長(zhǎng)閃耀”（見上圖）。另外，這種中階梯光柵它們相鄰的衍射光譜級(jí)次之間的能量分布如右圖所示，從圖中可以看出，同一波長(zhǎng)的入射光的能量多被分布在兩個(gè)相鄰衍射光譜的級(jí)次里，由于最佳閃耀波段兩側(cè)能量銳減，如圖中虛線下方所示。故入射光強(qiáng)能量幾乎都被集中到如圖中虛線上方的閃耀波段中的該波長(zhǎng)上，由此可知，中階梯光柵在175-800nm全波段范圍內(nèi)均有很強(qiáng)的能量分布，中階梯光柵其光譜圖象可聚焦在200mm2的焦面上，非常適合于半導(dǎo)體檢測(cè)器來檢測(cè)譜線。
中階梯光柵光譜儀各級(jí)之間的重疊用交叉色散棱鏡的辦法來解決，即棱鏡的色散方向與中階梯光柵的色散方向互相垂直，這樣在儀器的焦面上形成二維光譜圖象（如圖所示）。以IRIS Advantage ER/S為例：其光路如圖所示。其焦距0.5米，中階梯光柵刻線52.6條/mm，閃耀角64.1°，在42-189級(jí)時(shí)，其波長(zhǎng)范圍175-800nm連接起來總長(zhǎng)將近4米。
5、凹面光柵
凹面光柵是1882年羅蘭（Rowland）提出的，它是刻劃在球面的一系列等距刻槽的反射式衍射光柵。與平面光柵必須借助成像系統(tǒng)來形成譜線不同，凹面光柵在光路中兼具色散和聚焦兩種作用，因此在凹面光柵光譜儀中就只有狹縫、凹面光柵和檢測(cè)器組成，光路緊湊（如圖）。今天絕大部分直讀式光譜儀（包括火花、多通道ICP）均采用凹面光柵作為色散元件，但凹面光柵的象散問題是比較嚴(yán)重的。
6、光柵的誤差
在刻制光柵時(shí)，要求每條刻線必須很直，各刻線間嚴(yán)格地相互平行與等距，刻槽的幾何形狀必須完全一致。盡管光柵刻劃?rùn)C(jī)屬精密機(jī)械之王，并在相當(dāng)嚴(yán)格的環(huán)境下工作，但仍不可避免地存在機(jī)械誤差，因而在機(jī)刻光柵的光譜中會(huì)出現(xiàn)一些不真實(shí)的譜線稱為鬼線或伴線。
平面反射光柵都由機(jī)刻光柵（母光柵）復(fù)制而成，因而鬼線的出現(xiàn)，是這種光柵不可避免的缺陷。
7、全息光柵
隨著全息激光技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了采用激光干涉照相法制作的衍射光柵，這種光柵稱為全息光柵。
在磨制好的光柵毛坯上均勻涂布一層光敏物質(zhì)，然后置于同一單色光源的兩束激光干涉場(chǎng)中曝光。把明暗相同的干涉條紋記錄在光敏層上。將已爆光的坯基浸入一種特殊的溶液中，涂層各部分由于所接受的曝光量不同而受到不同程度的溶蝕，從而在坯基上出現(xiàn)了與干涉條紋相當(dāng)?shù)牟劬�，最后在真空中鍍上反射鋁膜和保護(hù)膜就制成全息光柵。
全息光柵的特點(diǎn)為：（1）無鬼線，雜散光極小。（2）衍射效率較低，全息光柵的槽形通常為近似正弦波形，這種槽形不具備閃耀條件，沒有明顯的閃耀特性。據(jù)稱，采用“離子蝕刻”技術(shù)的全息光柵，使光柵衍射效率得到較大提高。（3）分辨率高。由于全息技術(shù)使光柵刻線總數(shù)大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高。
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