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摘要： 微型光谱仪（光纤光谱仪）以其小型模块化和高速采集等特点被广泛应用于系统集成和现场检测。 本文以海洋光学的微型光谱仪为例介绍其结构和特点，并详细介绍其在探测领域的应用方案。

1 简介

光谱仪器是利用光学技术、电子技术和计算机技术对物质的组成和结构进行分析和测量的基本设备。 广泛应用于环境监测、工业控制、化学分析、食品质量检测、材料分析、临床检测、航空航天遥感和科普教育等领域。 传统光谱仪由于结构复杂、使用环境受限、携带不便、价格昂贵等缺点光纤光谱仪的应用，不能满足现场检测和实时监测的需要。 因此，微型光纤光谱仪已成为光谱仪器发展中的一个重要研究方向。 近年来，由于光纤技术、光栅技术和阵列检测器技术的发展和成熟，光谱检测系统形成了光源、采样单元和光谱单元分离的结构，整个系统结构为更模块化，更易于使用。 方便灵活，使微型光纤光谱仪成为现场检测和实时监测的首选。 以全球第一家微型光纤光谱仪制造商海洋光学的微型光纤光谱仪为例，介绍了微型光纤光谱仪的结构和特点，重点介绍了其在实际检测领域的应用方案.

2 微型光谱仪结构与特点

传统光谱仪的光学系统结构复杂。 它需要通过旋转光栅扫描整个光谱。 测量速度慢，部分样品需要经过特定的预处理，必须放置在仪器固定的样品室中进行测量。 与此相比，微型光纤光谱仪具有速度快、价格低、体积小、重量轻、全光谱采集等优点，并且可以通过光纤传导测量出样品室，是适用于在线实时检测。

2.1 微型光谱仪结构

光谱仪小型化设计的实现得益于光谱结构的优化。 全球第一家光纤光谱仪制造商海洋光学公司的Michael J. Morris开发的USB系列微型光纤光谱仪，采用非对称交叉Czerny-Turner分光结构。 这种光学结构的设计是基于Czerny-Turner结构。 光谱仪的改进使得光谱仪内部元器件的布局更加紧凑，可以进一步小型化（USB4000光谱仪仅为89.1 mm×63.3 mm×34.4mm）。

优化设计的分光结构光学平台，使微型光纤光谱仪内部无活动部件，光学元件均为反射形式，在一定程度上减少像差，使工作光谱范围不受影响通过材料。 微型光谱仪的固定光学平台适用于振动、狭窄空间等复杂工作环境。

2.2 微型光谱仪的特点

低损耗光纤、高效率光栅、低噪声、高灵敏度CCD阵列探测器等相关技术的发展，大大提高了微型光纤光谱仪的性能，具有以下技术特点：

光纤传导技术：光纤技术的发展使被测对象摆脱了固定样品池的限制，采样方式更加灵活，适用于远距离样品质量监测。 由于光纤对光信号的传输作用，可以使光谱仪远离外界环境的干扰，保证光谱仪的长期可靠运行。

CCD阵列探测器技术：光栅分裂后的作用光在探测器上瞬间采集，无需移动光栅，因此样品光谱采集速度非常快（测量时间为3.8ms~10min），并通过传感器实时输出电脑。

光栅技术：全息光栅杂散光少，而机械刻划光栅具有更高的反射率和灵敏度。

计算机技术：电子计算技术的发展大大提高了光谱仪的智能控制和处理能力。

3 微型光谱仪（光纤光谱仪）应用

随着微型光谱仪应用测量系统的不断拓展，其分析快速高效、便携实时应用等优势逐渐显现，光谱分析技术正逐步从实验室分析走向现场实时检测。 根据现阶段的实际应用状况，微型光纤光谱仪已广泛应用于以下领域。

3.1 透射和吸收测量系统

透射吸收测量用于确定介质在液体或气体中对光的吸收。 根据比尔定律，吸光度与摩尔吸光度、光程和样品介质浓度成正比。 透射吸收测量系统由以下部分组成：USB4000-UV-VIS光谱仪、DH2000-BAL光源、QP400-025-SR光纤、CUV-UV样品池、CV-Q-10比色皿和计算机。

3.2 反射测量系统

反射测量方法分为镜面反射和漫反射测量。 在实际测量中，可以通过不同的参考白板和测量角度来区分。 反射率测量用于确定样品的化学成分和有关表面颜色的信息。 反射测量系统由以下部分组成：USB4000光谱仪、DH2000-BAL光源、R400-7-UV-VIS反射探头、RPH-1探头支架、标准参考板WS-1和计算机。

3.3 发光二极管 (LED) 测量系统

LED测量系统用于LED光源的绝对光谱强度和颜色指数测量。 LED测量系统由以下部分组成：USB4000-VIS-NIR光谱仪、FOIS-1积分球、LS-1-CAL-INT校准光源、QP400-2-VIS-NIR光纤、LED-PS电源和电脑。

3.4 激光测量系统

根据激光光谱特性，检测系统配置高分辨率HR4000微型光纤光谱仪，可采用积分球或余弦校正器对入射光进行衰减，避免CCD检测器饱和。 激光测量系统由以下部分组成：HR4000高分辨率光谱仪、FOIS-1积分球、QP400-2-VIS-NIR光纤和计算机。

3.5 荧光测量系统

荧光测量需要一个高灵敏度的检测器和一个高效的滤光片来区分样品激发的弱信号光和高强度激发光，因为它的光谱信号特别弱。 荧光测量系统由以下部分组成：USB4000-FL光谱仪、PX-2光源、QP1000-2-UV-VIS光纤、LVF-HL线性可调滤光片、CUV-ALL样品池和计算机。

3.6 氧含量测量系统

氧含量是通过光纤探针尖端荧光团的荧光强度的衰减来测量的。 利用荧光猝灭原理可以测量溶解氧或气态氧的分压，从而检测环境中的氧气含量。 氧含量测量系统由以下部分组成：USB4000-FL光谱仪、USB-LS-450光源、QBIF600-VIS-NIR光纤、FOXY-R探头、21-02光纤连接套管和计算机。

3.7 拉曼光谱测量系统

拉曼光谱和红外吸收光谱都用于研究物质的分子振动能级，以分析物质的组成。 但与红外吸收光谱相比，拉曼光谱的谱线较为简单独特，被测物无需事先进行检测。 因此，它在判断物质的组成方面具有明显的优势。 拉曼光谱测量系统特别适用于反应过程监测、产物鉴定、遥感和介质中高散射粒子的测定。 拉曼光谱测量系统由以下部分组成：QE65000高灵敏度光谱仪、785nm/532nm激发激光器、RIP拉曼应用光纤探头和计算机。

3.8 激光诱导击穿光谱 (LIBS) 测量系统

LIBS 是一种实时、定性和半定量的固体、液体和气体光谱元素分析技术。 其工作原理是将高强度脉冲激光聚焦在样品表面，脉冲宽度为10ns的激光脉冲蒸发样品产生等离子体。 随着等离子体冷却光纤光谱仪的应用，处于激发态的原子发射出元素的特征光谱，由光纤探头采集并传输到光谱仪，与光谱分析软件中预存的样品特征光谱进行比对. LIBS测量系统由以下部分组成：LIBS2500多通道高分辨率光谱仪、LIBS-BUN光纤束、LIBS-LASER激光器、LIBS-SC样品室、LIBS-IM-USB图像分析模块和计算机。

4。结论

微型光谱仪（光纤光谱仪）具有系统模块化、结构灵活的优点。 因此，在实际的生产研究中，只需要一套光谱仪，使用不同的测试附件即可对各种样品进行实时检测。 同时，微型光纤光谱仪具有内部结构紧凑、无活动部件、波长覆盖范围广（175~1100nm或900~2500nm）、测量速度快（1ms~15min）、价格低廉等特点。 广泛应用于工业在线监测和便携式检测系统。 集成开发等领域为应用开发提供了广阔的空间。