手持式拉曼光谱技术具有信息丰富、分析能力强、处理速度快、样品无需预处理、使用方便等特点,使其广泛应用于水污染监测、毒品走私、大气质量监测、文物鉴别、药品检测等领域。国外手持式拉曼光谱技术比较成熟,并形成了一系列性能优异的产品,国内还处于起步阶段,其主要原因在于：手持式拉曼光谱仪器研制所需要的关键技术多,且不易突破。本文在考虑现在技术状况的基础上,主要针对拉曼探头外光路光学系统和光谱仪分光系统进行了研究。在拉曼光谱仪外光路光学系统方面,实现了小视场、大物方数值孔径的外光路光学系统设计,收集光路中采用球面系统时物方数值孔径达到0.33,采用非球面系统时物方数值孔径达到0.4,会聚光路中采用摄远结构,摄远比达到0.59,总长15厘米,实现了小体积情况下,外光路系统对于拉曼光谱信号的收集。同时,进一步分析了外光路杂散光来源,通过实际光线追迹,建立合理的杂散光分析模型,利用陷波滤光片、黑点板和孔径匹配等技术消除由镜面引起的激光反射、散射等杂散光。利用Tracepro软件进行光机建模分析,仿真结果表明此方法的抑制效果满足拉曼光谱仪要求的消杂光水平。在光谱仪设计方面,基于消彗差Czerny-Turner基础上,提出根据像面高度大小确定结构尺寸公式,并根据该结构设计了符合拉曼光谱应用且分辨率高达0.6nm的光谱仪系统。首次推导出交叉型消像散Czerny-Turner结构的零阶和一阶消像散条件,并给出了限制条件,与交叉型消彗差结构对比,在理论计算与软件仿真两方面验证下,证明了交叉型消像散结构均优于消彗差结构,其均方根半径减小了12%-52%,可见,前者更易得到良好的优化结果。为了提高设计效率,使设计工作更加智能可靠,本文还建立了消彗差和消像散C-T初始结构计算模型,并通过Matlab编制GUI,实现了与Zemax的直接通信,利用计算机自动输入代替手动输入,方便快捷。最终,实现了光谱分辨率优于0.6nm、拉曼光谱范围为781nm-1014nm的手持式拉曼光谱仪的优化设计和样机研制,样机尺寸为243mm×25mm×71mm。通过样机实验成功获得了CCL4的5个拉曼光谱特征峰,验证了整机拉曼光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。为进一步研制小体积、优性能的手持式拉曼光谱仪奠定了良好的技术基础。