一、什么是分光器？

1.1 分光器的定义

分光器（英文：Spectroscope / Beam Splitter）是一种能够将复合光（如白光、太阳光）分离为不同波长（颜色）光线的光学器件。根据用途的不同，分光器既可以是光谱分析仪器中的核心单元，也可以是激光、干涉、成像系统中的光束分离装置。

1.2 分光器的基本功能

分光器主要具备以下几项功能：

• 按波长分离光谱：如将白光分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色；

• 实现多通道检测：使多个探测器能够同时获取不同波段的光信号；

• 用于光束干涉或合束：在干涉仪中分离或叠加相干光；

• 改变光的传播路径或功率分布：常用于光路设计与控制。

二、分光器的工作原理

分光器的原理依据不同的物理机制，可分为以下几种：

2.1 折射与色散原理

如棱镜型分光器，利用光在不同波长下折射率不同（色散现象），将光谱展开。短波折射角大，长波折射角小。

2.2 衍射原理

光栅分光器通过光在衍射光栅上的干涉与衍射作用，不同波长以不同角度离开，形成色散谱。

2.3 反射与透射原理

分束镜或介质膜分光器利用特殊镀膜控制光的部分反射和透射，从而实现一定比例的光功率分离。

2.4 干涉滤波原理

干涉分光器（如多层膜干涉滤光片）通过精确控制膜层厚度和材料，实现特定波长的选择性透过。

三、分光器的常见类型与结构

3.1 棱镜型分光器

• 利用三棱镜对光进行色散；

• 成像清晰，适合可见光范围；

• 缺点是体积大，效率较低。

3.2 光栅分光器

• 核心为规则刻线的衍射光栅；

• 色散能力强，分辨率高；

• 常用于光谱仪、拉曼系统、光学通信。

3.3 分束镜（Beam Splitter）

• 以45°角放置的玻璃或镀膜器件；

• 能将光束按50/50、70/30等比例反射与透过；

• 用于激光干涉、成像、LIDAR等系统。

3.4 干涉滤光片（Interference Filter）

• 结构为多层光学薄膜；

• 用于选择性波长透过（带通、截止、长通、短通滤波）；

• 应用于荧光显微镜、生物检测、环境传感。

四、分光器的主要用途

4.1 光谱分析

• 分光器是光谱仪的核心元件；

• 应用于材料分析、环境监测、天文观测、食品检测等；

• 可对光源的光谱组成进行精确测量。

4.2 激光干涉与测量

• 在迈克耳孙干涉仪、激光干涉测距系统中，分束镜将激光分成两路；

• 应用于半导体测量、精密位移测量、波前检测等。

4.3 光通信

• 波分复用（WDM）系统中，分光器分离不同波长的光信号；

• 实现多路信号在一根光纤中传输，提高带宽利用率；

• 典型器件包括AWG分光器、平面波导型分光器（PLC Splitter）。

4.4 医疗与生命科学

• 在荧光显微镜、流式细胞仪中，分光器用于分离激发光与发射光；

• 提高图像对比度，保护探测器不被强光干扰。

4.5 智能传感与消费电子

• 光学心率检测（PPG）、面部识别、LIDAR系统中；

• 分光器用于收集、导引并分离反射光线；

• 结合光电探测器获取关键数据。

五、如何选择合适的分光器？

选择分光器应根据具体应用场景和系统参数，重点考虑以下指标：

5.1 工作波段

• UV（紫外）、Vis（可见）、NIR（近红外）、IR（中远红外）；

• 每种波段所需的材料和镀膜工艺不同。

5.2 光谱分辨率

• 对光谱分析仪要求高分辨率；

• 对成像系统，则需保持波段间清晰分离。

5.3 分束比例

• 分束镜需明确分光比例（如50:50，30:70）；

• 不同用途需控制功率分布。

5.4 光损耗与效率

• 特别是激光应用中，需控制反射损耗与吸收；

• 高透过率镀膜可优化系统性能。

5.5 物理尺寸与装配方式

• 与光路系统匹配；

• 尺寸、入射角度、环境稳定性等都需考量。

六、典型案例解析

案例一：光谱分析仪

应用目标：检测LED发光光谱

选型：采用光栅型分光器，波段范围400~700nm，分辨率小于2nm；

效果：清晰还原每种波长强度变化，可用于质量控制。

案例二：LIDAR激光雷达

应用目标：无人车环境扫描

选型：选用50:50反射透射比的分束镜，搭配激光测距模块；

效果：将部分激光反射至接收器，提高测距精度与时间响应速度。

案例三：光纤通信系统

应用目标：波分复用光信号传输

选型：使用AWG或PLC型分光器，分波精度高、插损低；

效果：支持8通道、16通道以上高速通信，提升带宽利用效率。

七、发展趋势与技术前沿

• 超窄带滤光片：用于高精度遥感、量子通信；

• MEMS可调分光器：实现动态调谐光谱，适用于便携式设备；

• 二维材料镀膜：提升分光效率，降低损耗；

• 微型化一体封装：适应智能手机、医疗穿戴设备空间限制。

结语

分光器虽然只是一个光学元件，但其在现代科技领域中却发挥着无可替代的重要作用。从基础科研到高端制造，从消费电子到深空探索，分光器都在以“看不见的方式”改变着我们的生活与技术边界。

理解分光器的工作原理、类型与应用场景，有助于工程师、科研人员或技术采购者做出更明智的系统设计与器件选择。未来，随着光学集成化、智能化的发展，分光器的功能将更强大，应用范围也将更广。