天不生牛顿，万古如长夜。

Nature and Nature's law lay hid in night ;

God said, "Let Newton be," and all was light.

                        —— A. Pope

牛顿把窗帘拉开一条缝，让一束阳光照射进来。白色的太阳光穿过三棱镜，在墙壁上出现了彩色的光带。这就是最早的光谱学实验，比大自然最常见的光谱学现象“彩虹”要晚了许多。

光谱学的一个主要任务就是区分不同的光，测量它们的波长和强度。最基本的一个问题是，如何把均匀的平行光束里的不同波长区分开。分开以后，才好测量强度，因为探测器通常对波长不是那么敏感——眼睛可以看到可见光的整个光谱，而三棱镜可以把可见光谱划分为很多不同的成分。常见的分光元件有三棱镜、光栅和干涉仪。

三棱镜利用了几何光学里光的折射现象。对于不同波长的光，玻璃的折射率不同，从空气进入玻璃后偏折的角度就不一样。因为光总是要从玻璃里出来的（然后才能探测它），所以还要再来一次折射。入射的表面和出射表面不能平行，否则，好不容易分开的不同波长又混到一起去了。所以，要采用三棱镜，两个面的夹角越大，分光的效果越好——但是角度太大的话，对于同样大小的光束，棱镜的尺寸就太大了。对于出射的光来说，同一种波长的光仍然是平行光束，不同波长的光出射的角度不同。在出射光路上放置一个凸透镜，不同波长的光就会聚焦在焦平面不同的位置上，这样就可以区分了。

光栅和干涉仪都是利用波动光学里光的干涉现象。光栅是在光洁的镜面上刻划了许多周期性的结构，这些周期性结构的间距与光的波长相仿，所以，出射光的方向就依赖于入射光的波长，同样起到了分光的效果。干涉仪的种类太多，无法一一介绍，就拿常见的法布里-珀罗（FP）干涉仪做例子吧。入射光束在FP干涉仪的两个高反射性表面之间多次反射，干涉的结果使得只有特定波长的入射光才具有非常高的透射率。如果想调节出射的波长，必须改变这两个反射表面的间距，或者是平行光的入射角度（注意，并不能改变太多啊，否则光没反射几次就跑掉了，因为任何镜面的大小都是有限的）。

对于干涉现象来说，最讲究的就是众志成城和齐心协力。对于光栅就是，光束的面积越大，照射到的周期性结构越多，分光的效果就越好；对于FP干涉仪来说，光束来回反射的次数越多，不同波长的透射率差别也就越大。

不管是折射还是干涉，都是把不同的波长分派到空间的不同位置上。通常用$\lambda/\delta \lambda$来描述分光元件的分辨本领，这个值越大，你在某个波长$\lambda$附近能够分辨的最小光谱范围$\delta \lambda$就越精细。但是，分辨本领也不是越大越好，而是要和你的研究目标相匹配。这就涉及到分光元件的另一个性质，自由光谱区$\Delta \lambda$，在这个范围里，不同的波长会落在不同的空间位置上，波长和空间位置有一一对应关系。超出了这个范围，同一个空间位置上就可能有不同的波长，你还是傻傻地分不清。

分辨本领和自由光谱区通常是有矛盾的。分辨本领太高，就会“明察秋毫之末，而不见舆薪”；自由光谱区太大，则会“魏武营八极，蚁观一祢衡”。进行光谱学测量的时候，往往要用几种不同的分光元件结合起来，才能达到最佳的效果：有的抬头看路，大致确定光谱的范围；有的低头拉车，仔细区分一点一滴的差别。

关于分光元件，最后再简单地提一下两个重要性质。一个是采光本领你总是希望尽可能大的接收面积和接收角度——只要你有足够的资源（包括钱和耐心）；但是资源总是有上限的，这也就导致另一个限制，光的波长$\lambda$和通光孔径$D$的比值决定了“平行光束”的最小发散角$\lambda /D$，也就决定了分光元件的理论分辨极限。

了解了这些基本的知识，学会使用这些简单的设备，你就可以进入五光十色的激光光谱学世界了。