光譜儀原理

1、光纖光譜儀的原理及基礎(chǔ)知識(shí)光纖光譜儀的原理及基礎(chǔ)知識(shí)20140525光譜學(xué)是測(cè)量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強(qiáng)度的一種技術(shù)。光譜測(cè)量被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如顏色測(cè)量、化學(xué)成份的濃度檢測(cè)或電磁輻射分析等。上海辰昶儀器設(shè)備有限公司是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的光纖光譜儀的生產(chǎn)廠商，以“光譜引領(lǐng)生活”為理念，致力于為國(guó)內(nèi)廣大用戶提供符合國(guó)情的一攬子光譜系統(tǒng)解決方案！光譜儀器一般都包括入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件（光柵或棱鏡）、聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器。而在單色儀中

2、通常還包括出射狹縫，讓整個(gè)光譜中一個(gè)很窄的部分照射到單象元探測(cè)器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定而寬度可調(diào)，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)光柵來(lái)對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行掃描。在九十年代，微電子領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測(cè)器迅猛發(fā)展，如CCD陣列、光電二極管（PD）陣列等，使生產(chǎn)低成本掃描儀和CCD相機(jī)成為可能。光纖光譜儀使用了同樣的CCD和光電二極管陣列（PDA）探測(cè)器，可以對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行快速掃描而不必移動(dòng)光柵。由于光通信技術(shù)對(duì)光纖的需求大大增長(zhǎng)，從而開發(fā)了低損

3、耗的石英光纖。該光纖同樣可以用于測(cè)量光纖，把被測(cè)樣品產(chǎn)生的信號(hào)光傳導(dǎo)到光譜儀的光學(xué)平臺(tái)中。由于光纖的耦合非常容易，所以可以很方便地搭建起由光源、采樣附件和光纖光譜儀組成的模塊化測(cè)量系統(tǒng)。光纖光譜儀的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)的模塊化和靈活性。上海辰昶儀器的微小型光纖光譜儀的測(cè)量速度非?？?，使得它可以用于在線分析。而且由于它選用低成本的通用探測(cè)器，所以光譜儀的成本也大大降低，從而大大擴(kuò)展了它的應(yīng)用領(lǐng)域。?光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)上海辰昶儀器的光譜儀采用Czerny

4、Turner光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)（如圖1所示）。圖1EQ2000光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)圖如何選擇合適的光柵？衍射光柵是一種把入射的多色光分解成它所包含的單色光的光學(xué)元件。光柵是由一系列等寬等間距的平行凹槽構(gòu)成的，而這些凹槽是在鍍反射膜的基底材料上刻劃制成的。按照凹槽形成方式的不同可以把光柵分成兩種：全息光柵和刻劃光柵。刻劃光柵是用刻劃?rùn)C(jī)上的鉆石刻刀在涂薄金屬反射表面上機(jī)械刻劃而成；而全息光柵則是由激光束干涉圖樣和光刻過(guò)程形成的。上海辰昶儀器光譜儀中的光柵

5、既有全息光柵，也有刻劃光柵。光纖光譜儀中的光柵要由用戶指定，并永久安裝在光譜儀中。接下來(lái)用戶就要說(shuō)明所需要的波長(zhǎng)范圍。有時(shí)光柵的標(biāo)稱可用光譜范圍大于照射到探測(cè)器上的光譜范圍，這時(shí)為了覆蓋更寬的光譜范圍，可選擇雙通道或三通道光譜儀。這些主通道和從通道可以選擇不同的光柵。類似的，雙通道或三通道光譜儀也可以使用戶在更寬的光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。在光譜儀介紹部分，對(duì)于每種光譜儀型號(hào)都有一個(gè)光柵選擇表。介紹了如何理解這些光柵選擇表。光譜儀的光

6、譜范圍取決于光柵的起始波長(zhǎng)和光柵線對(duì)數(shù)。波長(zhǎng)越長(zhǎng)則色散效應(yīng)越大，光柵所覆蓋的波長(zhǎng)范圍就越小。而整臺(tái)光譜儀的效率則由光纖的傳輸效率、光柵和反射鏡的效率、探測(cè)器及其膜層靈敏度的效率共同決定。注：取決于光柵的起始波長(zhǎng)；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光柵色散越大，實(shí)際光譜范圍越小?如何選擇最優(yōu)的光學(xué)分辨率？光譜儀的光學(xué)分辨率定義為光譜儀所能分辨開的最小波長(zhǎng)差。要把兩個(gè)光譜線分開則至少要把它們成象到探測(cè)器的兩個(gè)相鄰象元上。因?yàn)楣鈻艣Q定了不同波長(zhǎng)在探測(cè)器上可分開的程度

7、（色散），所以它是決定光譜儀分辨率的一個(gè)非常重要的參數(shù)。另一個(gè)重要參數(shù)是進(jìn)入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決于光譜儀上安裝的固定寬度的入射狹縫或光纖芯徑（當(dāng)沒有安裝狹縫時(shí)）。上海辰昶儀器所提供的狹縫尺寸有：5，10，25，50，100，200μm1000μm（高）。在指定波長(zhǎng)處，狹縫在探測(cè)器陣列上所成的象通常會(huì)覆蓋幾個(gè)象元。如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到這個(gè)象尺寸再加上一個(gè)象元。當(dāng)使用大芯徑的光纖時(shí)，可以通過(guò)選擇比光纖芯徑窄的

8、狹縫來(lái)提高光譜儀的分辨率。因?yàn)檫@樣會(huì)大大降低入射光束的寬度。所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對(duì)分辨率的影響表在光譜儀產(chǎn)品信息中都有介紹，表3是ST4000光譜儀的典型分辨率表。請(qǐng)注意，光柵的線對(duì)數(shù)越高，色散效應(yīng)隨波長(zhǎng)變化就會(huì)越顯著，波長(zhǎng)越長(zhǎng)色散效應(yīng)越大（表3），因此在最長(zhǎng)波長(zhǎng)處會(huì)得到最高分辨率。表3中的分辨率是FWHM值，即最大峰值光強(qiáng)50%處（FWHM）所對(duì)應(yīng)的譜線寬度（nm）（圖4）。在“光柵”一節(jié)中還有象元色散圖