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阶梯光栅光谱仪利用两个色散级将光沿两个正交方向色散。我们可以将这两个方向分别称为 X 方向和 Y 方向。Echelle 在法语中意为梯子，因此，光谱级次对应于梯子的横档，这是由于垂直和水平方向的色散造成的。由此，光谱数据以二维图案的形式显示，并且可以使用二维探测器（例如成像 CCD 相机）进行采集。
阶梯光栅光谱仪在某些方面与C-T光谱仪相似，但它具有两个色散元件，可以是两个光栅、两个棱镜或它们的组合。这两个色散元件的排列方式使得光线可以沿两个相互垂直或正交的方向色散。因此，阶梯光栅光谱仪可以设计成同时具有高光谱分辨率和宽光谱带宽。这是Mechelle 5000光谱仪的设计亮点和性能特点之一。
阶梯光栅光谱仪与传统的C-T设计形成对比，后者需要在带宽和光谱分辨率之间进行权衡：当系统配置为高光谱分辨率时，其结果就是带宽变窄——类似于放大一个很小的光谱窗口。在某些应用场景中，同时拥有宽光谱带宽和高光谱分辨率是必须达到的指标。激光诱导击穿光谱（LIBS）就是一个例子。LIBS 是一种利用把激光聚焦在材料中，利用材料产生的高度电离的微等离子体来识别材料中化学元素的技术——该微等离子体在复合时会发射出大量表征材料中各种元素的原子发射谱线。
大多数阶梯光栅光谱仪设计中没有移动部件，因此结构坚固耐用，非常适合集成到便携式系统和在“恶劣”环境下使用的系统中。这些系统可以提供便捷的校准和快速的分析，使其适用于现场应用。
图 1 显示了牛津仪器 Andor 部门的 Mechelle 5000 光谱仪的光学布局。如图所示，这是一款离轴设计的系统。与 C-T 透镜设计类似，离轴几何结构会受到彗差等像差的影响，除非设计中包含抵消这些像差的措施，否则会影响其性能。因此系统设计采用了梅歇尔透镜，该透镜采用了多个光学元件来最大限度地减少像差。这确保了每个波长对应的光斑都能很好地聚焦在输出焦平面上——这是确保良好分辨率和相邻光谱级之间最小串扰或光谱污染的关键要求。
Andor 推出了一项专利设计，该设计引入了两个可以校正这些像差的镜片。该设计的另一独特之处在于采用了双棱镜，而非常用的单棱镜。双棱镜由两个折射率略有不同的棱镜组成，它在第一级色散中将光分散成沿焦平面上下排列的光谱级次，如图2所示。使用单棱镜时，光谱级次会随着光谱范围向近红外区域移动而逐渐靠近。而双棱镜则能使光谱级次在整个光谱范围内保持良好的分离，这对于最大限度地减少光谱级次之间的串扰效应至关重要。图 2a 和 2b 分别展示了两种不同棱镜设计（2a 为单棱镜，2b 为双片棱镜）的光谱级次分布差异。
Andor 专利的双片棱镜设计最大限度地减少了串扰的可能性。由于级次分布不均匀且间距紧密，可见光和近红外区域的级次会紧密堆叠。这两个区域的信号很可能同时照射到多个级次上，从而形成鬼线。此外，级次分布不均匀还会导致串扰强度的变化。这两种效应都会对阶梯光栅光谱仪的使用产生不利影响。
Andor 的双级棱镜设计通过均匀地分散各级棱镜，并在各级棱镜之间留出足够大的间隔来规避这些问题，从而消除鬼线的可能性，并且还有助于将串扰保持在 1.5x10 -4的较小固定值（用 633 nm 激光线测试）。
阶梯光栅设计的最大优势之一是能够同时提供高分辨率和高带宽。阶梯光栅系统的分辨率由以下公式定义：CSR = 波长/波长分辨率，因此，参数为 CSR 5000 的系统在 200 nm 处的分辨率为：5000 = 200/FWHM @ 200 nm，因此 FWHM @ 200 nm = 0.04 nm。
阶梯光栅系统提供的带宽主要取决于阶梯光栅的尺寸以及用于光谱探测的相机尺寸。通常，这些系统单次拍摄的最大带宽范围为 200 nm 至 950 nm。根据设计的不同，还有其他一些阶梯光栅设计提供小一些的带宽，如 522 nm 至 1076 nm（Andor专为拉曼光谱设计的紧凑型阶梯光栅）或 200 nm 至 600 nm 等。此外，CSR 也根据型号的不同提供不同的配置，分辨率范围从 2500（低分辨率）到 40000（超高分辨率）不等。
阶梯光栅系统可以设计得非常紧凑，通常采用无运动部件的设计，因此非常适合现场应用。这些系统已被用于在线工艺流程中，以识别金属炉炉底的合金浓度，也曾用于飞行中，以采集喷气发动机尾气中的微量元素信息。
阶梯光栅系统已在科研光谱领域应用多年，但其应用远不及 C-T 光谱仪广泛。主要原因是早期型号的通量非常低，仅为 F/10-F/12。然而，随着阶梯光栅设计的改进，现在也出现了 F/6 甚至更高的通量。鉴于其能够捕获约 750 nm 的宽通带光谱，并同时提供 0.04 nm（200 nm处）的高分辨率，这些系统有望成为实验室中各种光谱学研究的极其便捷灵活的工具。
阶梯光栅系统最初应用于激光诱导击穿光谱（LIBS）技术，该技术利用光谱仪捕获等离子体的形成过程，并将信号传输至集成电路探测器（ICCD），从而有效地提供等离子体的元素组成数据。宽光谱覆盖范围为 LIBS 研究人员带来了显著优势，因为目标样品中需要识别的元素可以位于光谱的任何区域。即使是像 F/12 这样低通量的阶梯光栅系统，其强大的等离子体强度也足以成功检测样品中的元素组成。
目前市场上的新型 Echelle 设计比以前可用的设计提高了 40-60% 的通光量，因此为 Echelle 在 LIBS 以外的各种应用中的使用打开了大门，如拉曼和荧光光谱。
图 3：采用 Andor ME5000设计的近红外拉曼光谱实验的装置示意图。
下面将讨论阶梯光栅的典型应用：
（a）拉曼光谱：近红外光谱（NIR）拉曼实验在洛杉矶儿童医院进行，由詹姆斯·兰伯特博士使用 532 nm 和 785 nm 的拉曼谱线。本次实验使用的光谱仪是 Andor 定制的的紧凑型可见光-近红外阶梯光栅光谱仪（Compact Echelle VIS-NIR）。该仪器为 F/6 通光孔径，CSR 为 7000，检测范围为 520 至 1076 nm。
图 3 显示了两种激光线的实验装置。对于 785 nm 的实验装置，我们使用 Verdi 二极管泵浦的钛蓝宝石激光器进行激发。图 4 显示了 785 nm 激发下获得的光谱的放大图。光谱采集采用 5 秒曝光时间，并通过 100 µm 可见光-近红外光纤耦合至光谱仪，最终由 Andor的 iDus DU420A-OE 深制冷 CCD 探测器进行信号收集，该探测器可冷却至 -100°C，读出速率为 33 kHz。
从光谱图中可以看出，837-885 nm 范围内的环己烷吸收带和 992-1020 nm 范围内的吸收带都清晰可见。
(b) 微激光诱导击穿光谱：紫外-可见-近红外光谱 (µLIBS) 实验与阿尔伯塔大学的 Robert Fedosejevs 博士及其团队合作完成。我们使用阶梯光栅光谱仪 (Echelle) 的性能，并将其与焦距为 1/3 米的 C-T光谱仪进行比较，以利用 µLIBS 技术对表面进行二维映射。我们同时观察了这两个系统的 µLIBS 等离子体，并比较了它们的灵敏度。
实验装置如图5所示。µLIBS 等离子体在与激光轴成45度角处进行观测，分别使用 f/3.9 Czerny-Turner光谱仪（Oriel MS260i）和 f/7 阶梯光栅光谱仪（Andor Mechelle 5000）。钛蓝宝石激光器（Spectra Physics Hurricane）产生波长 800 nm、脉宽120 fs的脉冲，靶上的最大脉冲能量约为 80 µJ。激光通过15倍施瓦西物镜（全反射式深紫外物镜）聚焦。直径 50 µm的光纤（Ocean Optics Q50-2-UV/VIS）用于将等离子体发射耦合到阶梯光栅光谱仪中。
Echelle 光栅光谱仪与一台响应波长范围为 500 nm 至 800 nm 的 ICCD（Andor iStar DH720-18U-13）耦合，而 C-T光谱仪则与一台响应波长范围为 200 nm 至 500 nm 的 ICCD（Andor iStar DH734-25F-03）耦合。所用的门延迟范围为 2 至 5 ns，门宽为 1 µs，两台 ICCD 均在 -10°C 下工作。C-T光谱仪上的 ICCD 采用全垂直像素合并模式（FVB），像素读出时间为 16 µs；而 Echelle 光栅光谱仪上的 ICCD 采用成像模式，像素读出时间为 1 µs。
阶梯光栅光谱仪的主要优势之一是能够获取极宽的光谱。图 6 展示了对 Al2024 合金样品进行 29 µJ 脉冲照射后得到的光谱示例。图中所示的光谱宽度受限于用于将等离子体光成像到光纤上的消色差成像透镜。
插图所示区域与铝合金中析出物的检测和识别相关[8,9]。使用Czerny-Turner光谱仪，仅能观察到两个未分辨的双峰[8,9]。按照文献[9]中概述的步骤，对Mg和Mn的超导核辐射(SNR)光谱进行了分析。图7a给出了使用当前装置对Al₂O₂₄合金进行4 µJ脉冲C-T谱仪观测的分析结果。使用Mechelle对相同4 µJ脉冲进行观测，但使用图4插图中识别的所有谱线，对光谱进行了相同的分析。该分析结果如图7b所示。
这项研究成果强调了激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的巨大潜力，尤其是在与Andor iStar ICCD等高灵敏度检测平台结合使用时，能够快速、准确地现场定量分析痕量稀土元素。这项技术对于可再生能源技术、核安全规程和环境保护等众多实际应用至关重要。
与传统方法相比，激光诱导击穿光谱（LIBS）显著简化了分析流程，大幅缩短了分析时间，并为常规、大规模的工业和环境监测任务提供了一套有效的工具。鉴于全球对稀土元素的依赖日益加深，以及稀土元素在新兴技术中发挥的关键作用，LIBS 已成为高效资源管理、优化回收利用以及严格监测环境废物流的关键分析方法，直接支持全球可持续发展目标和净零排放目标的实现。
总之，LIBS 技术不仅展现了 ppm 级定量分析所需的灵敏度，而且与提高效率、精度和多功能性的更广泛分析需求完美契合，使其成为可持续和创新环境、核能和采矿应用研究中必不可少的分析方法。
[1] Madhavi Martin, Daniel Hamm, Samir Martin, Steve Allman, Gary Bell, Rodger Martin, “Micro-Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: A Novel Approach Used in the Detection of Six Rare Earths and One Transition Metal,” Minerals, 9(2), 103 (2019). https://doi.org/10.3390/min9020103 (registering DOI).
[2] Madhavi Martin, Rodger C. Martin, Hunter B. Andrews, Steve Allman, Deanne Brice, Samir Martin, and Andre Nicolas. “Quantification of Rare-Earths in the parts-per-million range- A Novel Approach in the Application of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy”. Appl. Spectrosc. Vol 76 (8) 2022 https://doi.org/10.1177/00037028221092051 (2022).
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