微型光譜儀

微型光譜儀是光譜測量系統中的核心部件，由於體積小，便於靈活地搭建光譜系統，在科研領域套用越來越廣。

基本介紹

• 中文名：微型光譜儀
• 特點：具體模組化，高速採集
• 結構：非對稱交叉式Czerny-Turner分光

簡介

微型光譜儀具體模組化和高速採集的特點，在系統集成和現場檢測的場合得到了廣泛的套用。結合光源、光纖、測量附屬檔案，可以搭配成各種光學測量系統。

光譜儀器是套用光學技術、電子技術及計算機技術對物質的成分及結構等進行分析和測量的基本設備，廣泛套用於環境監測、工業控制、化學分析、食品品質檢測、材料分析、臨床檢驗、航空航天遙感及科學教育等領域。由於傳統的光譜儀存在著結構複雜、使用環境受限、不便攜帶及價格昂貴等不足，不能滿足現場檢測和實時監控的需求。因此，微型光纖光譜儀成為光譜儀器發展的一個重要的研究方向。近年來，由於光纖技術、光柵技術及陣列式探測器技術的發展和成熟，使得光譜檢測系統形成了光源、採樣單元及攝譜單元相分離的結構形式，整個系統結構更具模組化，使用更加方便靈活，從而使微型光纖光譜儀成為現場檢測和實時監控的首選儀器。

微型光譜儀結構

傳統的光譜儀光學系統結構複雜，需通過旋轉光柵對整個光譜進行掃描，測量速度慢，並且對某些樣品還需經過特定的預處理，並要放在儀器的固定樣品室內進行測量。與此相比，微型光纖光譜儀有很多優點，如：速度快、價格低、體積小、重量輕及全譜獲取，而且通過光纖傳導可以脫離樣品室測量，適用於線上實時檢測。

光譜儀微型化設計的實現得益於攝譜結構的最佳化。微型光纖光譜儀使用非對稱交叉式Czerny-Turner分光結構，此光學結構的設計是在Czerny-Turner結構基礎上進行光路的改進，使光譜儀內部構件布局更緊湊，可進一步小型化。

攝譜結構光學平台的最佳化設計使微型光纖光譜儀內部無移動部件，光學元件都採用反射形式，可在一定程度上減少像差，並使工作光譜範圍不受材料影響。微型光譜儀的固定化光學平台適合于震動及窄空間等複雜的工作環境。

微型光譜儀特點

光纖傳導技術：光纖技術的發展，使待測物脫離了固定樣品池的限制，採樣方式變得更加靈活，適合於遠距離樣品品質監控。由於光纖對光信號的傳輸作用，使得光譜儀可以遠離外界環境的干擾，保證光譜儀的長期可靠運行。

CCD陣列探測器技術：將經光柵分光後的作用光在探測器上同時瞬間採集，而不必移動光柵，因此樣品光譜採集速度及快，並通過計算機實時輸出。

光柵技術：全息光柵具有較小的雜散光，而機械刻劃光柵具有更高的反射率和靈敏度。

計算機技術：電子計算技術的發展極大地提高了光譜儀的智慧型控制和處理能力。

微型光譜儀套用

隨著微型光譜儀套用測量系統的不斷拓展，其快速高效分析及攜帶型實時套用的優勢逐漸顯現出來，光譜分析技術正逐步從實驗室分析走向現場實時檢測。依據現階段實際套用現狀，微型光纖光譜儀在以下領域得到廣泛的套用。

透射吸收測量：透射吸收測量用於測定液體或氣體中介質對作用光的吸收，依據比耳定律，吸光度正比於摩爾吸收率、光程和樣品介質濃度。

反射測量：反射測量方式分為鏡面反射和漫反射測量，在實際測量中，可以採用不同的參考白板和測量角度來進行區分。反射測量用於測定樣品的化學成分及表面顏色相關信息。

發光二極體(LED)測量：LED測量系統用於LED光源的絕對光譜強度及顏色指標測量。

雷射測量：根據雷射光譜的特徵，檢測系統配置高解析度的微型光纖光譜儀，同時可用積分球或餘弦校正器來衰減入射光，以避免CCD探測器的飽和。

螢光測量：螢光測量因其光譜信號特別弱，因此需要一個高靈敏的探測器及一個高效率的濾光片，將樣品激發出的微弱信號光和高強度的激發光區別開來。

氧含量測量：氧含量是通過光纖探頭尖端螢光團的螢光強度的衰減來進行測量，套用螢光淬滅原理可以測量溶解氧或氣態氧的分壓，從而探測出環境的氧含量。

拉曼光譜測量：拉曼光譜與紅外吸收光譜同為研究物質的分子振動能級從而分析物質的組成，但相對於紅外吸收光譜，拉曼光譜的譜線較為簡單且具有獨特性，而且被測物不需進行前處理，因此在判斷物質組成成分時有明顯的優勢。拉曼光譜測量系統特別適用於反應過程監控、產品識別、遙感及介質中高散射粒子的判定。

雷射誘導擊穿光譜(LIBS)測量：LIBS是一種用於固體、液體及氣體中進行實時、定性及半定量的光譜元素分析技術，其工作原理是高強度的脈衝雷射聚焦在樣品表面，脈寬為10ns的雷射脈衝蒸發樣品產生電漿，隨著電漿的冷卻，處於激發態的原子發射出元素的特徵光譜，這個光譜被光纖探頭收集並傳送到光譜儀，通過光譜分析軟體中預存的樣品特徵光譜進行比對分析。

結論

微型光譜儀具有系統模組化和搭建靈活性的優勢，因此在實際生產研究中，僅需配一套光譜儀，套用不同的測試附屬檔案就可以對各種不同的樣品進行實時檢測。同時，微型光纖光譜儀具有內部結構緊湊、無移動部件、波長範圍寬、測量速度快、價格低的特點，在工業線上監控及攜帶型檢測系統開發等領域提供了廣闊的套用發展空間。