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title: "交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开"
description: "高级次把相近波长拉开，也会让不同颜色重叠。沿垂直方向再分一次光，就能在相机上得到可逐条标定的谱阶。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/stories/instruments/echelle-spectrograph/"
last_modified: "2026-11-03"
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[物理仪器怎样测量](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/)

走进仪器

# 交叉色散怎样把重叠的谱阶铺开

沿垂直方向再分一次光，就能让重叠的颜色落到相机的不同行。第一块光栅把相近波长拉开，第二个分光元件把不同谱阶分开。两者配合，一块不大的感光面就能容下许多细节。

Sandbox Physics · 2026-11-03

## 同一种颜色也能沿几个方向离开

把一束窄光照在刻着等距沟槽的反射面上。相邻沟槽反射的光，走过的路程略有不同。朝某些方向看，这点路程差恰好等于一个、两个或更多个波长，光波便相互加强，形成明亮的出射束。

这些整数给出了衍射级次：相邻沟槽多走一个波长叫一阶，多走两个叫二阶。同一种颜色可以在几个方向形成亮束；颜色稍有改变，这些亮束的方向也跟着改变。

用较高的级次观察时，波长只差一点，出射角就能差得更明显。镜头把角度差变成感光面上的距离差，两条原本挤在一起的谱线便容易分清。观察气体或恒星发出的密集谱线时，这一点很有用。

来源：[3]

## 高级次也会把别的颜色带进来

麻烦在于，不同整数可能给不同颜色安排同一条路。505纳米的光走100阶，500纳米的光走101阶，级次与波长的乘积完全一样。入射方向固定时，两束光便能沿同一方向离开；相机只看位置，会把它们叠在一起。光栅方程说的正是这个关系。刻线间距和入射、出射角度决定级次与波长的乘积。知道一个出射角，还不能唯一认出颜色。

阶梯光栅的沟槽间距较大，槽面像一排陡台阶。每个小槽面把较多光反射到选定的高级次附近，让仪器能利用那里较强的分色能力。这种把光集中送往某些级次的设计叫闪耀。槽面把光送得更有效，不同级次之间的重叠仍需要处理。

$$
m\lambda=d(\sin\alpha+\sin\beta)
$$

整数代表衍射级次，波长代表颜色对应的长度，刻线间距是相邻沟槽之间的距离。两个角度都从光栅法线量起。入射方向固定时，级次与波长的乘积相同，便得到同一个出射方向。

来源：[3]

## 再沿垂直方向分一次光

在阶梯光栅后面再放一个分光元件，把它拉开颜色的方向转过直角。先前走在一起的两种颜色，现在沿第二个方向偏转不同角度，落到相机的不同高度。每一条光带内部，阶梯光栅仍负责拉开细微的波长差别。

感光面上于是出现几条上下排列的短彩带。在相机覆盖的波段里，每条对应一个高级次。原本又长又容易重叠的光谱，被铺成了二维图案；有限的感光面能装下更宽的波长范围。

ESO的UVES用户手册展示了这种安排：反射阶梯光栅后接交叉色散元件，再由相机成像。真实装置还要用折叠、面外光路管理光束与瞳面。抓住分工就容易理解它：一个方向分清同一谱阶里的细节，另一个方向把谱阶隔开。

来源：[1]

## 用已知灯线给光带刻上波长

照片先给出像素位置和亮度，波长尺还需要另测。连续谱灯把整条光带照亮，便能找出它在感光面上的轨迹，包括倾斜或弯曲。再照一盏含有已知窄谱线的灯，这些亮点就像尺上的刻度，把像素列与波长连起来。

可以留一条已知谱线不用来拟合。等波长尺做好，再看它预测这条线的位置是否正确。暗场曝光测相机背景，均匀照明的平场曝光测像素响应差别。经过这些测量，带状照片才能变成可读的光谱。

两条光带之间必须留得出空间。狭缝太宽，或垂直方向分光太弱，相邻谱阶会模糊到一起。光已落进同一批像素后，再分别提取两条谱就会含混。交叉色散能解决谱阶重叠，前提是相机确实把它们分开拍到了。

来源：[2]

## [在相机上分开两个阶梯光栅谱阶](https://sandboxphysics.com/zh/labs/echelle-spectrograph/)

减弱交叉色散，再比较宽、窄狭缝。

教学仪器从带噪声的保存像素提取两个谱阶，用合成已知谱线灯标定，并另留一条线检查波长。

## 来源与延伸阅读

1. [ESO UVES User Manual, Issue 117, 24 November 2025, §2.1 and Table 2.2](https://www.eso.org/sci/facilities/paranal/instruments/uves/doc/ESO_514367_User_Manual_117.pdf)

   印刷页10至13介绍阶梯光栅、交叉色散与光路，18页表2.2列出刻线密度和闪耀角。真实UVES采用面外白瞳光路。

2. [ESO UVES Calibration Plan, Issue 113, 26 July 2023, §§5.1–5.4.1](https://www.eso.org/sci/facilities/paranal/instruments/uves/doc/ESO_514368_Calibration_Plan_P113.pdf)

   印刷页5至10介绍偏置、平场及波长标定；5.4.1节用短狭缝连续谱曝光追踪谱阶。

3. [Casini and Nelson, On the Intensity Distribution Function of Blazed Reflective Diffraction Gratings, arXiv v1, 9 September 2014](https://arxiv.org/pdf/1409.2844)

   PDF第5页式6、11给出槽面反射条件和光栅方程，第7页式18至21讨论标量闪耀包络及受光槽面宽度。

[游标怎样读出毫米的零头](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/length-metrology/) [空气也会托住天平上的物体](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/precision-balance/) [Cavendish 怎样量出两个球的引力](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/cavendish-balance/) [液柱究竟在量哪一边的压强](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/manometer/) [杯子也在吸热，怎样量出样品的比热](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/calorimeter/) [转得更费劲，液体就更黏吗？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/rotational-rheometer/) [管口外的空气怎样改变共振](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resonance-tube/) [地震仪怎样从机壳里的运动读出地面](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/seismometer/) [电表接上以后，电压为什么变了？](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/electrical-meters/) [检流计归零时，电阻怎样显出读数](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/resistance-bridges/) [电容为什么也会像电感](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lcr-impedance/) [示波器上的慢波是怎样冒出来的](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/digital-oscilloscope/) [锁相放大器怎样找出埋在噪声里的信号](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/lock-in-amplifier/) [频谱里的小峰会从哪里来](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectrum-analyzer/) [网络分析仪怎样把电缆和器件分开](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/vector-network-analyzer/) [石英晶体慢了，怎样判断它是否变重了](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/quartz-microbalance/) [只量总亮度，怎样分出许多颜色](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/ftir-spectrometer/) [用一束光量出溶液有多浓](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/uv-vis-spectrophotometer/) [椭偏仪怎样从反射光里读出薄膜厚度](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/spectroscopic-ellipsometer/) [偏振仪怎样看出样品把光混在了一起](https://sandboxphysics.com/zh/stories/instruments/mueller-polarimeter/)