定义
仅传输可调小光波长范围内的光的光学器件。
单色器是一种可调谐光学带通滤光片，在大多数情况下，它对通带的中心波长和可能也与传输带宽（至少在步进中）有关可调谐。 通带外的光通常会被器件吸收。
光输入
光学单色器具有某种输入端口，可以具有不同的形式：
- 为了接收来自自由空间的光，它通常是一个窄的光学狭缝，入射光应该在“窄”方向上适当地聚焦，例如，如果输入光束是准直的，则使用圆柱透镜。
- 或者，输入光可以通过光纤传输。 这样，人们就可以获得很大的灵活性，例如放置单色器。
输出
透射光在输出端口处可用，输出端口通常也具有狭缝的形式，从中获得相对发散的光。 在某些情况下，输出再次耦合到光纤中。
设计要求
理想情况下，单色器的设计应满足许多要求；最基本的是：
- 足够宽的波长可调性
- 通带的高透射率
- 任何其他波长的光的强烈衰减
- 中心波长与输入光束方向或对准的独立性
典型的器件（例如基于光栅）只能传输50%的输入功率，甚至更少，并且它们抑制通带外的光，例如30 dB，有时甚至更多。 它们的传输带应仅微弱地取决于输入光束的对齐。
其他有用的功能包括：
- 通带带宽可调
- 定义明确的过滤功能，例如具有陡峭边缘
- 紧凑而坚固的设计
带衍射光栅的切尔尼-特纳单色器
经典类型的光学单色器是Czerny-Turner单色器，见图1。 输入光聚焦到输入狭缝上，因此在狭缝之后发散。 它由曲面镜准直并撞击衍射光栅，衍射光栅将不同的波长分量偏转到略有不同的方向。 第二个曲面镜将不同的光束方向转换为出口狭缝上的不同位置，因此只有窄波长区域的光才能穿过该狭缝。 人们可以再次准直该光，例如在单色器之后使用额外的圆柱透镜。
图1：Czerny-Turner单色器的设置。
需要仔细设计来抑制杂散光，这对于拉曼光谱等应用尤为重要。
整个设置被放置在一个盒子中，其中包含额外的光圈和黑色屏蔽（图中未显示），以尽量减少杂散光的影响，否则杂散光可能会以不规则的方式到达输出。 在需要分析存在另一个波长的强光的情况下非常弱的光的情况下，例如在拉曼光谱中，这些措施尤为重要。 在某些情况下，需要使用双单色器（即序列中的两个此类设备）以实现更好的抑制。 另一种解决方案可能是在单色器之前使用陷波滤光片来衰减不需要的波长的光。
衍射光栅通常放置在旋转台上；它的位置决定了通带的中心波长。 一些单色器包含多个光栅，通常具有不同的行距，用于寻址不同的波长区域和/或处理不同的传输带宽值。 旋转平台通常是电动的，因此可以由计算机控制。 一些设备具有旋转位置的刻度，可能以纳米为单位进行校准。 更简单的单色器有一个千分尺螺钉，用户必须将其刻度读数转换为波长值。
不幸的是，通带波长或光学频率对旋转角度的依赖性是非线性的；这可能必须通过软件进行补偿 - 例如，在计算机或内置微处理器上。
由于球面像差，球面镜实际上与大狭缝高度有关。 因此，可以使用环形准直镜（一种非球面光学器件）或弯曲狭缝来避免此类问题。
使用光栅单色器可以轻松实现远优于 1 nm 的波长分辨率。
这种单色器的典型可实现波长分辨率约为0.01 nm至0.1 nm。 具有特别高分辨率的设备往往更大（使用具有长焦距的镜子和具有较大面积的光栅）；它们还需要具有高机械和热稳定性。 在某些限制范围内，可以通过折叠光束路径获得相对紧凑的设置。
有改进类型的单色器，例如Fastie-Ebert单色器带有一个普通的准直器/重新聚焦镜，以及带有两个光栅以获得更好分辨率的设备。
衍射光栅的质量对性能很重要：
- 其衍射效率决定了功率损耗。
根据应用的不同，闪耀光栅或全息光栅可能会提供更好的性能。
- 如果衍射不集中在一个特定的衍射阶数（通常是第一个），则不仅可能实现较低的功率吞吐量，而且还会在额外的波长下获得寄生透射，从而导致“鬼信号”；这与宽带输入光尤其相关。 在这方面，闪耀光栅（一种规则光栅）比全息光栅更好。
- 光栅上的光散射应尽可能弱，否则可以获得任何波长的一些背景透射率。 在这方面，全息光栅通常是最好的。 还可以使用额外的棱镜抑制来自额外衍射阶的效应。
基于这些考虑，可以决定哪种类型的衍射光栅最适合特定应用。
图2：来自 3DOptix 的仿真小部件，演示了 Czerny-Turner 单色器。单击预览图像以加载模拟。
棱镜单色器
如上所述的类似单色器可以用棱镜而不是衍射光栅来实现；由于棱镜的角度色散较小，传输带宽明显更大。 另一方面，棱镜的功率损耗较低，可用于更宽的波长区域，例如紫外线。
光学谐振器
在非常有限的光学频率范围内，光学谐振器也可以用作单色器，仅在共振中传输光。 可用频率范围的宽度是自由光谱范围，它取决于谐振器中光的绕行时间。
单色器的应用
在光学的早期，单色器通常用于获得准单色光。 当然，与宽带光源结合使用时，这是非常低效的，因为这是产生广泛可调的单色光所必需的。 对于固定波长，可以使用某些低压气体放电灯并传输突出的发射线之一。 如今，这种应用不太常见，因为通常最好使用激光作为准单色光源。 尽管如此，该原理仍用于例如分光光度计中，用于测量样品的波长依赖性吸光度或反射率，因为宽带可调谐激光器更难制造和使用并且更昂贵。
单色器通常用于光谱学。 常见的应用是与光电探测器结合使用；通过这样的设置，可以通过在扫描传输波段（扫描光谱仪）时记录透射强度来记录光源的光谱。 没有出口狭缝，可以在光谱仪中使用单色器。
