光纖光譜儀的原理和套用

光譜學是測量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強度的一種技術。光譜測量被廣泛套用於多種領域，如顏色測量、化學成份的濃度檢測或電磁輻射分析等。

光譜儀器一般都包括入射狹縫、準直鏡、色散元件（光柵或稜鏡）、聚焦光學系統和探測器。而在單色儀中通常還包括出射狹縫，讓整個光譜中一個很窄的部分照射到單象元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定而寬度可調，可以通過旋轉光柵來對整個光譜進行掃描。

基本介紹

• 中文名：光纖光譜儀的原理和套用
• 外文名：暫無
• 套用：顏色測量
• 包括：入射狹縫、準直鏡、色散元件

簡介

在九十年代，微電子領域中的多象元光學探測器迅猛發展，如 CCD 陣列、光電二極體（ PD ）陣列等，使生產低成本掃瞄器和 CCD 相機成為可能。美國海洋光學公司的光譜儀使用了同樣的 CCD 和光電二極體陣列（ PDA ）探測器，可以對整個光譜進行快速掃描而不必移動光柵。

由於光通信技術對光纖的需求大大增長，從而開發了低損耗的石英光纖。該光纖同樣可以用於測量光纖，把被測樣品產生的信號光傳導到光譜儀的光學平台中。由於光纖的耦合非常容易，所以可以很方便地搭建起由光源、採樣附屬檔案和光纖光譜儀組成的模組化測量系統。

光纖光譜儀的優點在於系統的模組化和靈活性。美國海洋光學公司的微小型光纖光譜儀的測量速度非常快，使得它可以用於線上分析。而且由於它選用低成本的通用探測器，所以光譜儀的成本也大大降低，從而大大擴展了它的套用領域。

光學平台設計

波長範圍

在為一台光譜儀系統選擇最最佳化配置的時侯， 波長範圍 是決定光柵型號的首先要考慮的重要參數。如果您需要較寬的波長範圍，我們建議您使用600 線 / 毫米的光柵（請看光譜儀產品一節中的光柵選擇表）。另一個重要元件是探測器的選擇。美國海洋光學公司提供了 7 種有著不同的靈敏度特性曲線的探測器型號。對於紫外（ UV ）波段的套用，可以選用深紫外（ DUV ）增強型 2048 或者 3648 像素 CCD 探測器。在近紅外（ NIR ）波段，有兩種不同的 InGaAs 探測器可以選擇。如果您既需要較寬的波長範圍同時又需要高解析度，則多通道光譜儀是最佳的選擇。

光學解析度

如果您需要很高的 光學解析度 ，我們建議您選擇 1200 線 / 毫米或者更高線對數的光柵，同時選擇窄狹縫和 2048 或 3648 像素的 CCD 探測器。例如，對於Maya 2000pro光譜儀，可以選擇 10um狹縫來獲得最佳解析度。

靈敏度

說起靈敏度 ，重要的是要區分開是光度學中的靈敏度（光譜儀所能探測到的最小信號強度是多少？）還是化學計量學中的靈敏度（光譜儀能夠測量到的最小吸收率差）。

a. 光度靈敏度

對於如螢光和拉曼等需要高靈敏度光譜儀的套用，我們建議選擇採用熱電製冷型1024像素二維面陣CCD探測器，而且還要選擇探測器聚光透鏡、SAG+UPG反射鏡、較寬的狹縫（100um或者更寬），該型號可以採用長積分時間（從7毫秒到15分鐘）來提高信號強度，並可以降低噪聲和提高動態範圍。

b. 化學計量靈敏度

為了能探測出兩個幅值很接近的吸收率數值，不但要求探測器的靈敏度高，還要求信噪比高。信噪比最高的探測器是QE光譜儀中的熱電製冷型1024像素二維面陣CCD探測器，信噪比是1000：1。而通過在廣州標旗軟體中把多幅光譜圖平均也可以提高信噪比，平均次數的增加，會導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，達到10000：1了。

測量時間與數據傳輸速度

光譜儀的數據獲取能力可以通過使用陣列型探測器並且不採用運動組件的方式大大提高。然而，對於每個具體套用都有其最最佳化的探測器。如對於需要快速回響的套用， 我們推薦使用 USB2000+光譜儀，最小積分時間是1毫秒，是有史以來最快的光纖光譜儀。而對於那些對數據傳輸時間要求非常嚴格的套用，我們推薦選擇USB2000+光譜儀，通過USB2.0接口每秒鐘可以完成1000完整的數據採集

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元件。光柵是由一系列等寬等間距的平行凹槽構成的，而這些凹槽是在鍍反射膜的基底材料上刻劃製成的。

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 用刻劃機上的鑽石刻刀在塗薄金屬反射表面上機械刻劃而成 ；而全息光柵則是由雷射束干涉圖樣和光刻過程形成的。

光纖光譜儀中的光柵要由用戶指定，並永久安裝在光譜儀中。接下來用戶就要說明所需要的波長範圍。有時光柵的標稱可用光譜範圍大於照射到探測器上的光譜範圍，這時為了覆蓋更寬的光譜範圍，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範圍內實現更高的解析度。

在光譜儀介紹部分，對於每種光譜儀型號都有一個光柵選擇表。介紹了如何理解這些光柵選擇表。光譜儀的光譜範圍取決於光柵的起始波長和光柵線對數。波長越長則色散效應越大，光柵所覆蓋的波長範圍就越小。

而整台光譜儀的效率則由光纖的傳輸效率、光柵和反射鏡的效率、探測器及其膜層靈敏度的效率共同決定。

*註：取決於光柵的起始波長；波長越長，光柵色散越大，實際光譜範圍越小

如何選擇最優的光學解析度

光譜儀的光學解析度定義為光譜儀所能分辨開的最小波長差。要把兩個光譜線分開則至少要把它們成象到探測器的兩個相鄰象元上。因為光柵決定了不同波長在探測器上可分開的程度（色散），所以它是決定光譜儀解析度的一個非常重要的參數。

另一個重要參數是進入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決於光譜儀上安裝的固定寬度的入射狹縫或光纖芯徑（當沒有安裝狹縫時）。

在指定波長處，狹縫在探測器陣列上所成的象通常會覆蓋幾個象元。如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到這個象尺寸再加上一個象元。當使用大芯徑的光纖時，可以通過選擇比光纖芯徑窄的狹縫來提高光譜儀的解析度。因為這樣會大大降低入射光束的寬度。

探測器

CCD 探測器

電荷耦合器件 CCD 探測器中儲存著電荷，而當光子照射到其光敏面時電荷就會被釋放。在積分時間的結尾，剩餘的電荷就會傳送到緩衝器中，然後這個信號被傳送到 A/D 轉換卡。 CCD 探測器具有自然積分的特性因此具有非常大的動態範圍，它只受暗（熱）電流和 AD 轉換卡數據處理速度的限制。 3648 象素 CCD 具有集成的電子快門功能，因此可以達到 10 微秒的積分時間。

· CCD 探測器的優點是象元數多（ 2048 或 3648 ）、靈敏度高、回響速度快。

· 主要缺點是信噪比低。

紫外增強窗片

對於需要使用2048/364像素的光譜儀並且波長小於 350nm 的套用，需要選擇一種特殊的紫外增強探測器窗片 。沒有窗片的CCD探測器對波長小於350nm的光信號的回響很低，而UV4紫外窗片增強了 CCD 探測器在200-340nm 波長範圍的回響。

InGaAs 線陣 成像探測器 (NIR256)

InGaAs 線性 成像探測器 在近紅外波長區域有著極高的靈敏度。探測器包括一個 CMOS 電晶體的電荷放大陣列，一個移位暫存器和一個時序產生模組。 美國海洋光學公司有 兩種 InGaAs 探測器 供用戶選擇 ：

· 256像素致冷型InGaAs 探測器， 可用於 900-2500nm 波長 範圍。

· 512像素致冷型InGaAs 探測器， 可用於 900-1700nm 波長範圍。

靈敏度

探測器象元在某一特定波長處的靈敏度定義為照射到該象元上的單位輻射能量（光子）所產生的電信號強度。對於一個給定的 A/D 轉換卡來說可以理解為每毫焦耳入射光能量所產生的電子記數值。

入射到光譜儀中的光能量與照射到單個探測器象元上的光能量之間的關係主要取決於光譜儀光學平台的結構設計，主要影響因素有光柵的效率、入射光纖或狹縫的尺寸、光學鏡片的性能、是否使用靈敏度增強透鏡等。對於一個給定配置的光譜儀能夠測量六、七十倍的光輻射級次。

雜散光和二級衍射效應

．雜散光

雜散光是錯誤波長（非對應信號光波長）的光輻射照射在探測器象元上所產生的信號，雜散光的來源是：

· 周圍環境光輻射；

· 光學元件缺陷所產生的散射光或非光學元件產生的反射光；

· 不同衍射級次間的重疊。

把光譜儀安裝在光密封的外殼內可以有效地消除周圍環境帶來的雜散光。

當光譜儀工作在探測極限時（微弱光探測），則來自於光學平台、光柵、聚焦鏡的雜散光強度就決定了光譜儀的最終探測極限。大多數光柵都是全息型光柵，雜散光很低。雜散光的測試方法是用雷射束照射到光譜儀上，然後測量遠離雷射波長處象元的光強。另一種方法是用鹵鎢燈作為光源並配合長通或帶通濾光片進行測試。

．二級衍射效應

對於低線對數光柵（寬可測波長範圍）來說，往往會發生光柵的二級衍射光之間的重疊。這些高級次衍射光在大多數場合可以忽略不計，但在某些場合下則必須考慮。解決的方法就是把信號光限制在不可能出現級次重疊的光譜區。具體的方法可以通過在光譜儀入口的 SMA 接口處安裝一個長通濾光片或在探測器前面的保護窗鏡上鍍特殊膜層來實現。該保護窗所鍍的膜層通常是一個長通濾光片（ 590nm ）或兩個長通濾光片（ 350nm 和 550nm ），取決於所選擇的光柵型號及其光譜範圍。

典型套用

美國海洋光學光譜儀的套用領域非常廣泛，如農業、天文、汽車、生物、化學、鍍膜、色度計量、環境檢測、薄膜工業、食品、寶石檢測、LED檢測、印刷、造紙、喇曼光譜、半導體工業等。下面介紹一些典型套用。

顏色測量

一般來說，物體和濃稠液體的顏色測量可以使用不同的實驗布局，比如使用反射型光纖探頭或積分球。在該測量中，可以使用波長範圍在380到780nm，解析度（FWHM）為5nm的光譜儀；此外，還需要白光連續光源和白色反射瓦。對於測量紡織品、紙張、水果、葡萄酒、鳥類羽毛顏色等不同的套用可以使用不同的光纖探頭。

紫外/可見吸收光譜測量

液體的吸收率測量可以用不同的實驗布局和波長範圍來實現，如使用浸入型光纖探頭或流動樣品池進行線上吸收率測量，或使用樣品固定器進行樣品的吸收率測量。對於測量紫外/可見波長範圍的光譜儀，可以選擇波長範圍200-1100nm、解析度1.4nm(FWHM)。此外還需要氘-鹵素燈作為光源。不同的套用可以選擇不同的光纖探頭。

發射光譜測量

發射光譜測量可以用不同的實驗布局和波長範圍來實現，還要用到餘弦校正器或積分球。發射光譜測量可以在紫外/可見和可見/近紅外波長範圍內測量。

對於發射光譜的絕對測量，光譜儀可以配置成波長範圍從200-400nm或350-1100nm，或組合起來實現紫外/可見200-1100nm，並可以在美國海洋光學公司的定標實驗室里進行輻射定標。定標後的實驗布局不能改變，如光纖和勻光器都不能更改。

為了使實驗布局更靈活，用可見/近紅外定標光源（LS-1-CAL）或紫外/可見/近紅外定標光源（DH2000-CAL）可以在用戶現場進行定標。功能強大的廣州標旗軟體可以完成定標並載入輻射定標數據。

LED測量

最簡單而且迅速地測量LED的整個光通量的方法就是使用一個積分球，並把它連線到一個美國海洋光學公司的光譜儀上。該系統可以用鹵素燈進行定標（LS-1-CAL-INT），然後用廣州標旗軟體從測量到的光譜分布計算出相關參數，並實現輻射量的絕對測量。所測光源的光譜發光強度還可以用μW/cm2/nm來計算、顯示並存儲。另外的視窗還可以顯示大約10個參數：輻射量μW/cm2, μJ/cm2, μW或μJ；光通量lux或lumen，色軸X, Y, Z, x, y, z, u, v和色溫。

薄膜厚度測量

美國海洋光學的膜厚測量系統基於白光干涉測量原理，可以測量的膜層厚度10nm-50μm，解析度為1nm。薄膜測量在半導體晶片生長過程中經常被用到，因為電漿刻蝕和澱積過程需要監控；其它套用如在金屬和玻璃材料基底上鍍透明光學膜層也需要測量膜層厚度。配套的廣州標旗套用軟體包括豐富的各種常用材料和膜層的n值和k值，可以實現膜層厚度的線上監測，並可以輸出到Excel檔案進行過程控制。

真空室鍍膜過程監控

光纖光譜儀為真空室內鍍膜過程的監控提供了一種靈活的測量手段，它可以方便地把光引入並引出真空室或潔淨工作倉，同時選擇鍍膜過程分析所需要測量的參數。在實際的線上生產中，可以在工作倉中放置幾個探頭來檢測整個生產過程。圖示為真空室鍍膜過程監控的典型實驗布局。在這裡一個反射型光纖探頭用來線上監測鍍膜過程。氘-鹵素燈發出的光被導入真空室並傳導到反射探頭上，反射光由反射探頭傳導到光譜儀中；也可以再增加一個通道作為參考測量來補償光源的波動。

氧濃度感測器

氧濃度感測器包括一個光纖螢光探頭，探頭表面鍍有專利技術的膜層，並使用一個藍光LED作為激發源，還有一台高靈敏度的微型光譜儀。該感測器套用螢光技術測量氧的絕對含量，樣品產生的螢光反射回探測器上。當氣態或液態樣品中的氧擴散到探頭的膜層上時，就會使螢光猝滅，猝滅的程度與樣品中的氧的濃度是相關的。

寶石成分檢測

顏色是判斷鑽石成色的決定因素之一，天然鑽石和人造鑽石可以用波長範圍在400-750nm的光檢測出來。在天然Ia類鑽石的吸收譜中可以發現415nm和478nm的特徵波長，而人造鑽石在該波長處則沒有吸收峰。人造鑽石中可以探測到592nm和741nm的波長。而且天然鑽石和人造鑽石的吸收峰幅值相差近10倍。當然其它寶石也可以用這種方法檢測，如紅寶石、紫翠玉、藍寶石等。

螢光測量

在許多套用領域如生物學（葉綠素和類胡蘿蔔素）、生物醫學（惡性病的螢光診斷）和環境套用中都需要用到螢光檢測技術。螢光檢測通常需要高靈敏度光譜儀。在大多數套用中螢光能量僅為激發光能量的3%，波長要長於激發光，而且時散射光。在螢光測量系統中，一定要避免激發光進入到光譜儀中。

生物醫學套用

在過去的十年中，美國海洋光學公司幫助許多用戶進行了血成分分析的非侵入式和侵入式的光譜學測量手段，測量了許多重要的醫學指標，如組織和紋理中的氧濃度、血色素、細胞色素和水濃度等。非侵入式檢測系統包括微型光纖光譜儀、LS-1鹵鎢燈和反射型光纖探頭，而侵入式檢測系統則使用了一根植入於導管中的特殊的反射型光纖探頭。

在需要連續測量氧濃度、血色素的氧化和去氧化過程的醫學套用中，該系統得到了成功的套用。

拉曼光譜測量

Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統是一台高度集成化而且價格很低的系統，適用於需要拉曼測量的套用領域。Oceanoptics Raman拉曼系統包括半導體雷射器，光纖光譜儀，和多種可選光纖探頭和廣州標旗Raman套用軟體。

Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統有量個基本型：1。低成本非冷卻型，解析度25cm-1。2。高性能TE致冷型，解析度10cm-1。

Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統特別適用於反應過程監控、產品識別、遙感，水溶液、凝膠體和其它介質中高散射粒子的判定。Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統的光源也可以選擇50mW或100mW的532nm固體綠光雷射器、氬離子雷射器或HeNe雷射器。

顏色混合及匹配

廣州標旗軟體可以與其它能用於顏色測量的美國海洋光學光譜儀配合使用。主要的套用領域是印刷業、印染業和繪畫業。它的主要功能是創建一個新顏色與資料庫中的已知顏色進行比對並進行校正，也可以創建一個新顏色來與著色檔案中的顏色進行比對。

材料（金屬/非金屬）成分檢測

LIBS（雷射誘導螢光）技術是基於雷射束聚焦到被測樣品上所產生的物質電離過程，電子的再結合會發光，對該光譜進行分析研究可以得到被測物質的成分。

LIBS技術最初是由美國Los Alamos國家實驗室的David Cremers研究小組在二十多年前發明的。從此以後，LIBS技術成功地被用於痕量元素的檢測和惡劣環境下的線上成分分析等套用中。

根據所分析的元素不同，LIBS技術可以探測ppm到ppt級的含量。而且不需要對所測樣品進行預加工（如拋光，溶解等），可以分析固態、液態、氣態樣品。

LIBS是一款結構緊湊、操作簡便、分析結果準確的分析系統。它把高能雷射束聚焦到樣品上，然後同軸收集產生的信號光，並用高解析度、多通道、快觸髮型光譜儀進行分析。

14．園藝測量

園藝測量光譜儀被開發用於測量溫室中可見光和近紅外光區域內的光強度和光譜分布。

光的強度和光強的譜線分布是影響植物的生長和光合作用的非常重要的因素。對於光強度，可以通過經由輻射校準過的準確地測量出光子數和其他參數，專門針對園藝學測量。光譜儀可以通過藍牙接口無線連線到遠程計算機。計算機可以用來控制溫室中濾光鏡的移動或者控制特殊的燈泡。