激光诱导击穿光谱技术(LIBS)作为一种新兴的原子光谱分析技术,拥有快速、多元素同时测量、原位检测等优点,被广泛用于土壤重金属检测等领域中。作为LIBS系统的核心组成部分——中阶梯光谱仪,它的性能好坏决定着LIBS的光谱检出限和检测精度。本文针对LIBS在土壤重金属检测中的应用需求,设计一种宽波段、高分辨率的小型中阶梯光谱仪,利用zemax软件实现光谱仪的光学设计,评价光谱仪的成像质量,完成中阶梯光谱仪样机的研制。论文的主要研究内容如下:1.从中阶梯光谱仪的基本理论出发,分析中阶梯光栅的原理特性,介绍中阶梯光谱仪的系统组成,分析中阶梯光谱仪不同于普通光谱仪的特点。2.重点研究中阶梯光谱仪的光学设计方法,从光路设计和元件参数关系两方面进行研究。提出李特洛(Littrow)光路和切尔尼-特纳(Czerny-Turener)光路相结合的设计方法,建立光学元件参数与光谱仪光谱范围和光谱分辨能力之间的数学关系模型,分析光学元件之间的尺寸关系。Zemax仿真实现中阶梯光谱仪光学设计。3.为保证光谱仪在光谱范围内拥有高的光谱分辨能力,对中阶梯光谱仪的像差进行研究,分别提出球差、彗差和像散的矫正方法。以消像差为目的,对中阶梯光谱仪进行优化设计。研究像质评价方法,分别从波长点列图、像差特性曲线和能量分布曲线三个方面对光谱仪成像质量进行评价。4.研制基于上述光学设计的中阶梯光谱仪样机,介绍光学元件固定件和中阶梯光谱仪样机整体设计方案。以Hg标准光源为测试光源进行实验,对光谱图像进行分析,评价样机性能,实验结果表明中阶梯光谱仪样机在200~600nm的光谱范围内,光谱分辨能力达到0.1nm,满足设计要求。