光谱仪作为重要的测量仪器,广泛应用在工业生产和科学研究的各个行业。随着工业技术的发展和科学研究水平的提高,许多应用领域对光谱仪提出了新的性能要求,小型化和高分辨率是重要的发展方向。本文特别针对密集波分复用光通信系统中信道和器件性能检测的重大需求,对基于多次色散原理的小型化高分辨率光栅光谱仪展开了研究。论文主要研究内容如下:总结了光谱仪发展的历史进程,比较分析了各种不同光谱仪的优缺点。从满足项目背景需求的角度,选择了基于光栅色散分光原理的光栅型光谱仪作为基本光路结构。对近些年出现的具有高分辨率和小型化特点的光栅光谱仪进行了技术分析和总结,选取了多次色散原理作为课题研究的切入点。介绍了光栅光谱仪的基本原理、核心器件和典型光路结构,并对影响仪器性能的主要因素进行了系统的分析。对当前的高分辨率光谱仪结构——双级联型光谱仪进行了研究,指出了双级联光谱仪当前设计理论与事实不一致的问题,重新对该光路结构进行了严格的理论分析,并给出了理想条件下的仿真证明。基于双级联光谱仪,提出了三种新型的多次色散光栅光谱仪光路结构。根据所提出的三种新型多次色散高分辨率光谱仪方案,从基本的光栅衍射方程出发,结合系统的几何光路结构,对其分辨率特性、光谱定标函数等重要参数进行了严格的理论分析。在理论分析的基础上,按照实际光通信测量的需求,分别对三种多次色散光谱仪在1250nm-1650nm宽光谱波段进行了光学设计和仿真。理论分析和仿真结果证明了多次色散方案具有分辨率高且稳定的特点,为实验样机的研制奠定了基础。针对光栅在亚波长工作条件下衍射效率具有偏振敏感性这一关键问题,首先分析了消偏器方法的工作原理,对其在本仪器中的可行性条件进行了讨论。然后提出了基于消色差四分之一波片旋转偏振态和分偏振接收的方法,并对这两种方案进行了详细的分析和设计。最后比较三种方法的优缺点,同时考虑当前技术水平下的实现难度,选出了分偏振接收技术用于实验样机研制中。采用模块化思想对两次色散光谱仪实验样机进行了研制,并按照实际性能要求,对样机的各指标进行了测试实验。以两次色散光谱仪样机为基础,搭建了三次和四次色散光谱仪实验系统并进行了测试。实验结果进一步证明了在小型化高分辨率光谱仪的研制过程中采用多次色散方法的可行性。