1 平面光栅
光栅是ICP-OES光谱仪中用的主要色散元件。平面衍射光栅是在基板上加工出密集的沟槽，其形状如图1所示。在光的照射下每条刻线都产生衍射，各条刻线所衍射的光又会互相干涉，这些按波长排列的干涉条纹，就构成了光栅光谱。
图1 平面反射光栅的衍射
d-光栅常数；N-光栅法线；1，2-入射光束；1'，2'-衍射光束；θ-入射角；φ-衍射角
图1表示的是平面光栅衍射的情况。1和2是互相平行的入射光，1'和2'是相应的衍射光，衍射光互相干涉，光程差与入射波长成整数倍的光束互相加强，形成谱线，谱线的波长与衍射角有关，其光栅方程式为
（式1）
式中，θ为入射角，永远取正值；φ为衍射角，与入射角在法线N同一侧时为正，异侧时为负；d为光栅常数，即相邻刻线间的距离；m为光谱级，即干涉级；λ为谱线波长，即衍射光的波长。
从光栅方程式可以看出衍射光栅具有以下特性。
（1）当m取零值时，则φ=-θ，λ可取任意值，这意味着入射光中所有波长都沿同一方向衍射，相互重叠在二起，得到的仍是一束白光，并未进行色散，称为零级光谱，其实并未形成谱。
（2）当m取整数且入射角θ固定时，对每一m值，λ为φ的函数，即在不同衍射角方向可得到一系列衍射光，组成衍射光谱。当m取正值，φ和θ在法线的同一侧时，称为正级光谱；当m取负值，φ和θ分布在法线两侧时，所得光谱称为负级光谱。负级光谱因其强度较弱，对光谱分析无使用价值。不论是正级光谱还是负极光谱，短波谱线离零级光谱均较近。
（3）级次m愈大，衍射角φ愈大，即高谱级光谱具有较大的衍射角。
（4）当入射角与衍射角一定时，在某一位置可出现各谱级的不同波长光谱重叠，即谱级重叠，这是光栅光谱的重要特点之一。从光栅方程式可以看出，mλ=m1λ1=m2λ2=m3λ3=···，即只要谱级与波长的乘积等于mλ的各级光谱就会在同一位置上出现。
光栅分光系统的光学特性包括自由色散区、色散率、分辨率和光强分布。
（1）自由色散区 在光栅光谱中各级光谱可能衍射在同一角度上，即形成光谱重叠。例如一级光谱600nm，二级光谱300nm和三级光谱200nm等重叠在一起。但也有不重叠的波段，不受其他谱级光谱重叠的波长区称为自由色散区。相邻谱级间的自由色散区
（式2）
式中，m为谱级；λm+l为更高一级谱级的光谱波长。可以看出，谱级愈高自由色散区愈小。
（2）色散率 将光栅方程对波长微分，即为光栅的角色散率
（式3）
可以看出，角色散率与谱级成正比，与光栅常数成反比。离法线很近的衍射光（φ→0），角色散率很小，离法线很远的光谱（φ愈大），角色散率愈大，当cosφ≈1时，角色散率为
（式4）
线色散率与角色散率的关系为
（式5）
式中，ε为谱面倾角；f2为物镜有效焦距。
光栅光谱仪的线色散率
（式6）
（3）分辨率 分辨率是指有相同强度的两条单色光谱线，可以分辨开的最小波长间隔。按照瑞利（Releigh）准则，当一条谱线主极大正好落在另一条谱线的第一极小位置上时，则认为两条谱线是可分辨的（图2），这时两条谱线总轮廓最低处的强度约为最大强度处的81%。
图2 瑞利准则示意
根据瑞利准则可推导出光栅的理论分辨率
（式7）
式中，m为光谱级次；N为光栅刻线总数。将光栅方程（式1）带入（式7），可得
（式8）
Nd是光栅总宽度，令W=Nd，可得
（式9）
因为sinθ+sinφ的最大值不能超过2，因而分辨率的最大值为
（式10）
由（式10）可以看出，不能用增加光栅刻线密度来提高分辨率。光栅的理论分辨率只取决于光栅宽度，波长及所用的角度。因而要得到高分辨率必须采用大块光栅及大的入射角及衍射角。
（4）光栅光谱仪分辨率的测量 瑞利准则在很大程度上是理想化的，实际上对于两条强度相等的谱线，两者同距离较瑞利准则规定稍小时仍能分辨。但对强度不同的两条谱线，尤其是强线附近的弱线，两者间距离较瑞利准则规定值大些时才能分辨。
理论分辨率是在假定的理想情况下可能达到的结果：即采用无限窄狭缝，两条谱线是单色的且强度相等，谱线的轮廓和宽度仅由衍射效应决定，成像系统无象差等。但在实际使用仪器的条件下，不可能都满足这些条件。因此更实用的是光谱仪的实际分辨率。通常用两种方法检查仪器的实际分辨率。
（1）谱线组法。采用多谱线元素（如Fe）的已知波长的谱线组，观察谱线是否有效地分开，利用两谱线间波长差计算仪器的实际分辨率。
（2）半宽度法。用测谱线半宽度的方法来表征仪器的实际分辨率。目前国内外制造的单色器及其他光谱仪器大多用谱线半宽度作为仪器分辨率的技术指标。我国单色仪国家标准GB 10984-89同时采用谱线组法和半宽度法测量分辨率。具体测量应注意，要选择没有自吸收的谱线及避免误用未分开的双线。
2 中阶梯光栅
从衍射光栅的角色散率方程（式3）来看，似乎只要增加光谱级次，角色散率就可无限度增加。其实并非如此，因为可观察到的最高光谱级次受条件限制。
（式11）
亦即最高可用光谱级次为
（式12）
由于提高分辨率；通常采用高密度刻线的平面光栅，d值很小，限制了最高可观察到的光谱级次。例如，一块1200线/mm光栅，当λ=500nm时，mmax≤3.3，即第4级光谱就看不到了。一般平面衍射光栅只能用1~3级光谱，远紫外光区最高用到第4级光谱，此时可用光谱范围已经很窄。Varian Ltd的Liberty 220型ICP光谱仪，采用1800线/mm光栅，第4级光谱分辨率高达0.006nm，但光谱范围仅为160～235nm。
由（式11）可得出光栅常数d
，即当用1级光谱时，必须遵守d
，光栅刻线密度不能无限增加。当d比λ小得多时，光栅由衍射作用转为反射作用，不能产生色散。
提高光谱仪分辨能力的有效途径是采用中阶梯光栅分光系统。顾名思义，中阶梯光栅的光栅常数介于阶梯光栅和衍射光栅之间。阶梯光栅的光栅常数是毫米级，使用较高的谱级（m约为20000），衍射光栅的光栅常数为亚纳米级，而中阶梯光栅常数为微米级。刻线密度10~80线/mm；闪烁角60°左右；入射角大于45°；常用谱级20~200级；阶梯宽度比高度大几倍。可以得到高分辨率和大色散率。反射型中阶梯光栅的原理图见图3。
图3 中阶梯光栅
普通光栅方程（式1）也适用于中阶梯光栅，
一般中阶梯光栅多在φ=θ条件下使用，故上式简化为
（式13）
光栅刻线总数N=W/d，W是光栅宽度，故中阶梯光栅的分辨率为
（式14）
即用高光谱级次，大的衍射角及较宽的光栅宽度，可以获得很高的分辨率。
表1列出了平面光栅光谱仪和中阶梯光栅光谱仪性能的比较。可以看出，0.5m的中阶梯光栅光谱仪的理论分辨率远高于0.5m的平面光栅光谱仪。
表1 两种光栅光谱仪性能比较
由于在中阶梯光栅ICP-OES光谱仪中使用高的光谱级，每级光谱覆盖波长范围较窄，由近百级光谱组合方能覆盖从紫外光区至近红外光区。图4是中阶梯光栅几个光谱级的工作波段，可以看出，从200～205nm波段是由3个光谱级来覆盖的。
图4 中阶梯光栅的能量分布（75线/mm光栅）
与平面光栅ICP-OES光谱仪不同，中阶梯光栅各级次的色散率不同，短波段色散率高，长波段色散率低。
3 凹面光栅
凹面衍射光栅是一种反射式衍射光栅，呈曲面状（球面或非球面），上面刻有等距离的沟槽。由凹面光栅构成的分光装置如图5所示。通常凹面光栅安置在罗兰圆上，而入射狭缝及出射狭缝安置罗兰园的另一侧，罗兰圆的直径多在0.5~1.0m。凹面光栅在主截面的光栅方程式与平面光栅相同（式1）。
图5 凹面光栅分光装置
凹面光栅的特点是它既作为色散元件，同时又起准直系统和成像系统的作用，显著地简化了系统结构，而且使探测波长小于195nm的远紫外光区成为可能。因为在远紫外光谱区，特别是波长小于195nm以下时，反射膜的反射率很低，而凹面光栅本身可起聚光作用，省去几个光学元件，也减少了光能损失。Spectro分析仪器公司生产的ICP-OES光谱仪，采用凹面光栅分光系统和CCD检测器，可在130～190nm波段内工作。测定氯（Cl 134.72nm），溴（Br 163.34nm），碘（I 161.76nm），硫（S 180.70nm）。IRIS Intrepid ICP光谱仪将波平范围延伸到近红外光区（1000nm），可以测定卤素及氧等元素。
