光谱仪原理

光纤光谱仪的原理及基础知识

2014-05-25

光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的一种技术。光谱测量被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度检测或电磁辐射分析等。

是国内领先的光纤光谱仪的生产厂商，以“光谱引领生活”为理念，致力于为国内广大用户提供符合国情的一揽子光谱系统解决方案！

光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而宽度可调，可以通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。

在九十年代，微电子领域中的多象元光学探测器迅猛发展，如 CCD 阵列、光电二极管（ PD ）阵列等，使生产低成本扫描仪和 CCD 相机成为可能。光纤光谱仪使用了同样的 CCD 和光电二极管阵列（ PDA ）探测器，可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅。

由于光通信技术对光纤的需求大大增长，从而开发了低损耗的石英光纤。该光纤同样可以用于测量光纤，把被测样品产生的信号光传导到光谱仪的光学平台中。由于光纤的耦合非常容易，所以可以很方便地搭建起由光源、采样附件和光纤光谱仪组成的模块化测量系统。

光纤光谱仪的优点在于系统的模块化和灵活性。上海辰昶仪器的微小型光纤光谱仪的测量速度非常快，使得它可以用于在线分析。而且由于它选用低成本的通用探测器，所以光谱仪的成本也大大降低，从而大大扩展了它的应用领域。 • 光学平台设计

上海辰昶仪器的光谱仪采用Czerny-Turner 光学平台设计（ 如图 1 所示 ） 。

图1 EQ2000光学平台设计图

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信号光由一个标准的 SMA905 光纤接口进入光学平台，先经一个球面镜准直，然后由一块平面光栅把该准直光色散，经由第二块球面镜聚焦，最后光谱的象就被投射到一块一维线性探测器阵列上。

光学平台内包括很多元件，使得用户可以根据自己的应用选择最合适的配置。这些元件的选择对光谱仪的参数影响非常大，如衍射光栅、入射狭缝、消二级衍射效应滤光片和探测器镀膜等。

• 如何为您的应用配置光谱仪

根据应用领域的不同，用户必须对采用模块化设计的上海辰昶仪器光谱仪中的多种光学元件和选件进行选择。。 1. 波长范围

在为一台光谱仪系统选择最优化配置的时侯， 波长范围 是决定光栅型号的首先要考虑的重要参数。如果您需要较宽的波长范围，我们建议您使用600 线 / 毫米的光栅（请看光谱仪产品一节中的光栅选择表）。另一个重要元件是探测器的选择。上海辰昶仪器提供了 7 种有着不同的灵敏度特性曲线的探测器型号。对于紫外（ UV ）波段的应用，可以选用深紫外（ DUV ）增强型 2048 或者 3648 像素 CCD 探测器。在近红外（ NIR ）波段，有两种不同的 InGaAs 探测器可以选择。如果您既需要较宽的波长范围同时又需要高分辨率，则多通道光谱仪是最佳的选择。 2. 光学分辨率

如果您需要很高的 光学分辨率 ，我们建议您选择 1200 线 / 毫米或者更高线对数的光栅，同时选择窄狭缝和 2048 或 3648 像素的 CCD 探测器。例如，对于ST4000光谱仪，可以选择 10um狭缝来获得最佳分辨率。 3. 灵敏度

说起 灵敏度 ，重要的是要区分开是光度学中的灵敏度（光谱仪所能探测到的最小信号强度是多少？）还是化学计量学中的灵敏度（光谱仪能够测量到的最小吸收率差）。 a. 光度灵敏度

对于如 荧光和拉曼等需要高灵敏度光谱仪的应用，我们建议选择采用热电制冷型1024像素二维面阵CCD探测器的SEK热电制冷型光纤光谱仪，而且还要选择探测器聚光透镜、金反射镜、较宽的狭缝（100um或者更宽），该型号可以采用长积分时间（从7毫秒到15分钟）来提高信号强度，并可以降低噪声和提高动态范围。

b. 化学计量灵敏度

为了能探测出两个幅值很接近的吸收率数值，不但要求探测器的灵敏度高，还要求信噪比高。信噪比最高的探测器是SEK光谱仪中的热电制冷型1024像素二维面阵CCD探测器，信噪比是1000：1。而通过多幅光谱图平均也可以提高信噪比，平均次数的增加，会导致信噪比以平方根的速度提高，比如，100次平均可以10倍提高信噪比，达到10000：1了。 4.测量时间与数据传输速度

光谱仪的数据获取能力可以通过使用阵列型探测器并且不采用运动组件的方式大大提高。然而，对于每个具体应用都有其最优化的探测器。如对于需要快速响应的应用， 我们推荐使用 EQ2000光谱仪，最小积分时间是1毫秒，是目前为止最快的光纤光谱仪。

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如何选择合适的光栅？ 衍射光栅是一种把入射的多色光分解成它所包含的单色光的光学元件。光栅是由一系列等宽等间距的平行凹槽构成的，而这些凹槽是在镀反射膜的基底材料上刻划制成的。 按照 凹槽形成方式的不同可以把光栅分成两种：全息光栅和刻划光栅。刻划光栅是 用刻划机上的钻石刻刀在涂薄金属反射表面上机械刻划而成 ；而全息光栅则是由激光束干涉图样和光刻过程形成的。 上海辰昶仪器光谱仪中的光栅既有全息光栅，也有刻划光栅。 光纤光谱仪中的光栅要由用户指定，并永久安装在光谱仪中。接下来用户就要说明所需要的波长范围。有时光栅的标称可用光谱范围大于照射到探测器上的光谱范围，这时为了覆盖更宽的光谱范围，可选择双通道或三通道光谱仪。这些主通道和从通道可以选择不同的光栅。类似的，双通道或三通道光谱仪也可以使用户在更宽的光谱范围内实现更高的分辨率。 在光谱仪介绍部分，对于每种光谱仪型号都有一个光栅选择表。介绍了如何理解这些光栅选择表。光谱仪的光谱范围取决于光栅的起始波长和光栅线对数。波长越长则色散效应越大，光栅所覆盖的波长范围就越小。 而整台光谱仪的效率则由光纤的传输效率、光栅和反射镜的效率、探测器及其膜层灵敏度的效率共同决定。 *注：取决于光栅的起始波长；波长越长，光栅色散越大，实际光谱范围越小 • 如何选择最优的光学分辨率？ 光谱仪的光学分辨率定义为光谱仪所能分辨开的最小波长差。要把两个光谱线分开则至少要把它们成象到探测器的两个相邻象元上。因为光栅决定了不同波长在探测器上可分开的程度（色散），所以它是决定光谱仪分辨率的一个非常重要的参数。 另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定宽度的入射狭缝或光纤芯径（当没有安装狭缝时）。 上海辰昶仪器所提供的狭缝尺寸有：5，10，25，50，100，200μm×1000μm（高）。 在指定波长处，狭缝在探测器阵列上所成的象通常会覆盖几个象元。如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到这个象尺寸再加上一个象元。当使用大芯径的光纤时，可以通过选择比光纤芯径窄的狭缝来提高光谱仪的分辨率。因为这样会大大降低入射光束的宽度。 所选光栅和入射光束的有效宽度（光纤芯径或入射狭缝）对分辨率的影响表在光谱仪产品信息中都有介绍，表 3 是 ST4000光谱仪的典型分辨率表。请注意，光栅的线对数越高，色散效应随波长变化就会越显著，波长越长色散效应越大（表 3 ），因此在最长波长处会得到最高分辨率。 表 3 中的分辨率是 FWHM 值，即最大峰值光强 50% 处（ FWHM ）所对应的谱线宽度（ nm ）（图 4 ）。在 “ 光栅 ” 一节中还有象元色散图，您可以用来为您的具体应用选择合适的光栅和分辨率。 表3 ST4000的分辨率（半峰宽nm） 刻线/狭缝 600 1200 1800 2400 10 1 0.45 0.27 0.21 25 1.3 0.6 0.35 0.28 50 2 0.9 0.54 0.43 100 3.6 1.7 1 0.78 200 7.2 3.4 2 1.56 3

*注：以上只是常规的分辨率，具体要取决于光栅的起始波长；波长越长，光栅色散越大，分辨率越高 所选光栅和入射光束的有效宽度（光纤芯径或入射狭缝）对分辨率的影响如表3所示，表3给出的是ST4000光谱仪的典型分辨率值。请注意，光栅的线对数越高，色散效应随波长变化就会越显著，波长越长色散效应越大，因此在最长波长处会得到最高分辨率。表3中的分辨率的定义是最大峰值光强50%处（FWHM）所对应的谱线宽度（nm）。

• 探测器。 CCD 探测器

电荷耦合器件 CCD 探测器中储存着电荷，而当光子照射到其光敏面时电荷就会被释放。在积分时间的结尾，剩余的电荷就会传送到缓冲器中，然后这个信号被传送到 A/D 转换卡。 CCD 探测器具有自然积分的特性因此具有非常大的动态范围，它只受暗（热）电流和 AD 转换卡数据处理速度的限制。 3648 象素 CCD 具有集成的电子快门功能，因此可以达到 10 微秒的积分时间。 • CCD 探测器的优点是象元数多（ 2048 或 3648 ）、灵敏度高、响应速度快。 • 主要缺点是信噪比低。 紫外增强窗片

对于需要使用2048/364像素的光谱仪并且波长小于 350nm 的应用，需要选择一种特殊的紫外增强探测器窗片 。没有窗片的CCD探测器对波长小于350nm的光信号的响应很低，而紫外窗片增强了 CCD 探测器在200-340nm 波长范围的响应。 InGaAs 线阵 成像探测器 (NIR256)

InGaAs 线性 成像探测器 在近红外波长区域有着极高的灵敏度。探测器包括一个 CMOS 晶体管的电荷放大阵列，一个移位寄存器和一个时序产生模块。 上海辰昶仪器有 两种 InGaAs 探测器 供用户选择 ： • 256像素致冷型InGaAs 探测器， 可用于 900-2500nm 波长范围。 • 512像素致冷型InGaAs 探测器， 可用于 900-1700nm 波长范围。 • 灵敏度

探测器象元在某一特定波长处的灵敏度定义为照射到该象元上的单位辐射能量（光子）所产生的电信号强度。对于一个给定的 A/D 转换卡来说可以理解为每毫焦耳入射光能量所产生的电子记数值。

入射到光谱仪中的光能量与照射到单个探测器象元上的光能量之间的关系主要取决于光谱仪光学平台的结构设计，主要影响因素有光栅的效率、入射光纤或狭缝的尺寸、光学镜片的性能、是否使用灵敏度增强透镜等。对于一个给定配置的光谱仪能够测量六、七十倍的光辐射级次。

• 杂散光和二级衍射效应 1 ．杂散光

杂散光是错误波长（非对应信号光波长）的光辐射照射在探测器象元上所产生的信号，杂散光的来源是： • 周围环境光辐射；

• 光学元件缺陷所产生的散射光或非光学元件产生的反射光； • 不同衍射级次间的重叠。

把光谱仪安装在光密封的外壳内可以有效地消除周围环境带来的杂散光。

当光谱仪工作在探测极限时（微弱光探测），则来自于光学平台、光栅、聚焦镜的杂散光强度就决定了光

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谱仪的最终探测极限。大多数光栅都是全息型光栅，杂散光很低。杂散光的测试方法是用激光束照射到光谱仪上，然后测量远离激光波长处象元的光强。另一种方法是用卤钨灯作为光源并配合长通或带通滤光片进行测试。

上海辰昶仪器光谱仪典型的杂散光参数是 <0.05%@600nm; <0.1%@435nm; <0.1%@250nm 。 2 ．二级衍射效应

对于低线对数光栅（宽可测波长范围）来说，往往会发生光栅的二级衍射光之间的重叠。这些高级次衍射光在大多数场合可以忽略不计，但在某些场合下则必须考虑。解决的方法就是把信号光限制在不可能出现级次重叠的光谱区。具体的方法可以通过在光谱仪入口的 SMA 接口处安装一个长通滤光片或在探测器前面的保护窗镜上镀特殊膜层来实现。该保护窗所镀的膜层通常是一个长通滤光片（ 590nm ）或两个长通滤光片（ 350nm 和 550nm ），取决于所选择的光栅型号及其光谱范围。 • 光谱仪平台

上海辰昶仪器光谱仪系统拥有多种平台，包括不同的电子系统、光学平台和探测器。它是针对不同领域的应用而设计的，基于功能强大的微处理器系统，具有独立工作的能力，多通道型光谱仪可以实现通道间同步读出、IN/OUT数字控制信号和USB及RS232接口可以在有/无计算机环境下轻松使用。

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