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光谱仪原理及光谱仪测试系统 前言 本文旨在介绍各种光谱仪的特点、性能参数和应用范围，为读者学习和选购光谱仪提供参考。 目前最常用的光谱仪有USB4000、HR4000、Maya2000和QE65000等，这些光谱仪的性能、特点、定位和应用各不相同。 本书将从光谱仪的分类入手，分析光谱仪及光谱仪附件、光谱仪测试系统、光谱仪的配置与应用。 一、光谱仪的原理及分类 本节从不同光谱仪的分类入手，为您分析光谱仪的内部结构、原理和特点。 一、USB2000+、USB4000微型光纤光谱仪 1.1 特点 USB2000+、USB4000微型光纤光谱仪是一个系列产品，两者只有手掌大小，重量非常轻（190克）； 它们不需要电源，可以直接由电脑供电，使用方便。 两种光谱仪都具有快速的测量速度和精度，并带有可编程的微处理器，可以灵活地控制光谱仪和附件，并在软件上完成各种操作，如：控制外部光源、创建流程和程序、获取外部仪器数据等. USB2000+和USB4000微型光纤光谱仪均采用模块化设计的光学平台。 组件是根据用户的需求定制的。 所有配置的部件在出厂前都是完全固定的，因此光谱仪平台内没有活动部件，不会磨损或断裂。 高可靠性。

如果客户的需求发生变化，也可以更换元器件，但元器件的更换必须由大洋光学的专业技术人员进行。 与USB2000+相比，USB4000探测器像素更多（3648 vs. 2048），灵敏度更高，信噪比更好，数据处理和传输时间略长。 1.2 性能参数检测范围200~1100nm，光学分辨率0.3~10nm，最快积分时间加传输时间分别为2ms和8.8ms。 1.3 结构 USB2000+和USB4000的光学平台结构如图1所示，包括1.连接器，2.狭缝，3.长通滤波器，4.准直器，5.光栅（确定波长范围），6.聚焦镜，7.检测器聚光镜，8.检测器，9.OFLV高阶衍射滤光片（可选），10.升级为UV4检测器（可选）。 其中1~8为必备元件，部分型号可选配光栅和准直镜，9~10为可选元件，可根据实际需要选用或不选用。 各部件的作用一一介绍如下： 图1 USB2000+和USB4000微型光纤光谱仪的光学平台结构 1. 连接器：固定光纤、滤光片、狭缝的相对位置，注入光信号光光纤进入光学平台。 一般使用SMA905连接器。

2、狭缝：控制进入光谱仪的光通量，宽度从5μm到200μm，有6种选择，高度固定为1mm。 狭缝越窄，光通量越小，光谱分辨率越高。 （选择不同孔径的光纤也能起到同样的作用） 3、长通滤波器：安装在连接器中，消除短波长信号光引起的倍频光，使被测光谱分布更准确。 滤光片有6种选择，分别是波长大于305、375、475、515、550、590nm的滤光片。 4、准直镜：将入射光准直成一束平行光入射到光栅上，可以选择普通铝制准直镜或SAG+准直镜，SAG+透镜是海洋光学的专利，区别于其他普通镀银镜面，不会被氧化，其特点是吸收几乎所有的紫外光，在可见光到近红外波段增强反射率（95%），增强检测的灵敏度。 特别适用于消除荧光测量中激发光源对测试结果的影响。 5、光栅：光栅在光谱仪中起色散作用，区分不同颜色的光。 光栅的选型是所有元器件选型中最重要、最关键的部分，它直接决定了光谱仪的光学分辨率和测试范围。 USB2000+和USB4000共有14种光栅可供选择，可根据客户的具体需求选择合适的光栅。 光栅有机械刻划光栅和闪耀光栅两种，刻划光栅的特点是反射率高、灵敏度高，全息光栅的特点是杂散光少。

每种类型的光栅都有固定的线密度、光谱范围、闪耀波长和最有效波段。 根据客户需求选择光栅时，应明确客户要求的光谱分辨率、光谱测试范围、最常用的测试波长，选择能满足客户要求的分辨率，最有效的波段覆盖光谱测试范围，闪耀波长最接近最常用的测试波长。 光栅，使被测光具有很高的衍射效率。 在相同条件下，选择沟槽密度更高的光栅可以获得更好的光学分辨率。 在25μm狭缝条件下，600线光栅的分辨率为1.34nm，2400线光栅的分辨率优于0.29nm。 6、聚焦镜：将光栅的一级衍射光聚焦到探测器上。 7、检测器聚光镜：固定在检测器窗口上，可提高信号光的收集效率。 8、检测器：USB2000+和USB4000分别采用索尼ILX511和东芝TCD1304AP CCD检测器，分别对不同波长的信号光作出响应。 9. OFLV 消除高阶衍射滤光片（选配）：滤除光栅的二阶和三阶衍射光。 10、检测器升级：USB2000+和USB4000分别使用UV2和UV4检测器，通常用于紫外光测量。 升级后，探测器上的 BK7 窗口将更换为石英窗口。 1.4 预配置光谱仪海洋光学推荐两种预配置UV-Vis 和Vis-NIR USB4000 光谱仪平台。 分贝采用600条闪耀波长为300nm和500nm的线光栅，均采用25μm狭缝。 它们的测量范围分别为200~850nm和350~1000nm，光学分辨率为1.5nm（FWHM）。

2、S1024DW高信噪比微型光纤光谱仪 2.1特点 高信噪比海洋maya2000光纤光谱仪原理，S1024DW信噪比为2500：1，S1024DWX信噪比为8000：1，可观察小于0.00001吸光度单位的变化。 2.2 性能参数检测范围为200~1100nm。 S1024DW高信噪比微型光纤光谱仪像素尺寸比USB4000大，相对灵敏度比USB4000差（紫外光1/30，可见光1/80）。 采用ADC1000-USB A/D转换器进行数据采集，可同时采集8个光谱仪通道的数据，进行多点采样。 2.3 结构与USB4000光谱仪类似。 它配备了 L2 检测器冷凝器和 OFLV 可变长通滤波器。 入射孔径和光栅可根据具体应用选择。 3. HR2000+、HR4000微型光纤光谱仪 3.1 特点 HR系列光谱仪具有极高的光学分辨率，HR2000+、HR4000的光学分辨率最佳可达0.035nm和0.02nm。 光谱响应也很快。 3.2 性能参数检测范围为200~1100nm，光学分辨率分别为0.035~6.8nmh和0.02~8.4nm，最快积分时间和传输时间分别为2ms和7.8ms。

3.2结构 HR系列光谱仪采用对称交叉Czerny-Turner光路设计。 虽然光路不同，但光路原理是一样的，附件也基本一样。 与USB系列相比，HR系列光栅可选配件增加了HC1光栅，HC1光栅有300线，最有效波段为200~1050nm，分辨率可达0.75nm。 通过选择其他更高密度的光栅可以获得更好的光谱分辨率。 3.3 应用范围 HR系列光谱仪具有超快的光谱采样速度和超高的光谱分辨率，适用于要求快速响应测量和高分辨率的系统，如HR2000+用于蛋白质动态检测，HR4000用于激光测量，气体吸收原子辐射测量与测量等领域。 对于化学物质分析或颜色测量，USB 系列的光谱仪可能更合适。 4、Maya2000、Maya2000Pro、QE65000光谱仪 4.1 特点 该系列光谱仪采用滨松二维排列薄型背照式FFT-CCD探测器，量子效率可达90%，具有高紫外响应和信号质量。 噪声比。 由于其在紫外波段的响应度很高，因此不需要使用紫外镀膜技术，自然避免了不同UV镀膜批次质量不一的问题。

Maya2000 和 Maya2000Pro 这两款光谱仪适用于需要高灵敏度、良好的紫外响应和大动态范围的应用。 QE6500定位为“科学级”光谱仪，积分时间可达15分钟，特别适合弱光实验。 它还结合了板载热点冷却装置，可将温度降至-15℃，2分钟内可稳定设置在±0.1℃，具有低噪音、低暗背景信号、低杂散光、增强紫外线效率和更好的重现性。 4.2 性能参数 Maya2000、Maya2000Pro和QE65000光谱仪的价格分别为5800美元、4800美元和12000美元，性能和价格基本匹配。 三者的动态范围分别为5000:1、8000:1和25000:1。 Maya2000Pro和Maya2000在很多参数上的表现是一样的海洋maya2000光纤光谱仪原理，Maya2000的特点是读取速度更快，而Maya2000Pro的动态范围和信噪比更好，前置时间更快。 Maya2000Pro和Maya2000的缺点是积分时间短（10s、20s），但可以用于要求灵敏度高、紫外响应好、动态范围大的应用。 一般光谱仪使用线性阵列探测器，而 QE65000 有 64 个垂直排列的像素，可以同时测量单个波长。 由于在高度方向更好地利用光线，具有极高的灵敏度和高达1200:1的信噪比。 .4.3 结构 QE光具座的结构和部件与USB系列类似，不同之处在于它在检测器窗口上不包含冷凝器，而检测器采用热电冷却，