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。
上海辰昶仪器设备有限公司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
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。
•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。
