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光纤光谱仪的原理及应用 光谱学是一种测量紫外、可见、近红外和红外波段光强的技术。 光谱测量广泛应用于许多领域，例如颜色测量、化学成分的浓度检测或电磁辐射分析。 有关更详细的应用信息和相关实验设置，请参阅本目录的最后一章 - 应用。 光谱仪器通常包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦光学器件和检测器。 在单色器中，通常包括一个出射狭缝，允许整个光谱中非常窄的部分照射到单像素检测器上。 单色器的入射和出射狭缝位置固定，宽度可调，旋转光栅即可扫描整个光谱。 20世纪90年代，微电子领域的多像素光学探测器，如CCD阵列和光电二极管（PDA）阵列的快速发展，使得生产低成本的扫描仪和CCD照相机成为可能。 海洋光学的光谱仪使用 CCD 探测器，无需移动光栅即可快速扫描整个光谱。 由于光通信技术对光纤的需求大大增加，低损耗石英光纤应运而生。 该光纤还可以作为测量光纤，将被测样品产生的信号光传输到光谱仪的光学平台上。 由于光纤的耦合非常容易，因此构建由光源、采样附件和光纤光谱仪组成的模块化测量系统非常方便。 光纤光谱仪的优势在于系统的模块化和灵活性。

海洋光学的微型光纤光谱仪测量速度非常快，适合在线分析。 并且由于采用了低成本的通用检测器光纤光谱仪的原理，光谱仪的成本也大大降低，从而大大拓展了其应用领域。 ?光学平台设计 海洋光学的光谱仪采用Czerny-Turner光学平台设计（如图1所示）。 图1 USB2000+光平台设计图 信号光通过标准的SMA905光纤接口进入光平台，先经过一个球面镜准直，准直后的光经平面光栅色散，经第二个球面镜聚焦，最后将光谱图像投影到一维线性探测器阵列上。 光学平台包含多种组件，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有很大影响，如衍射光栅、入射狭缝、消除二阶衍射效应的滤光片、探测器镀膜等。 光谱仪的灵敏度、分辨率、带宽和杂散光将在后面的章节中介绍。 ?如何为您的应用配置光谱仪？ 根据应用，用户必须在海洋光学光谱仪的模块化设计中选择各种光学组件和选项。 本节将指导您如何为您的应用选择合适的光栅、狭缝、探测器和其他选项。 1. 波长范围 在为光谱仪系统选择最佳配置时，波长范围是确定光栅类型时首先要考虑的重要参数。

如果您需要更宽的波长范围，我们推荐使用 600 线/mm 的光栅（请参阅光谱仪产品部分中的光栅选择表）。 另一个重要因素是检测器的选择。 海洋光学提供七种探测器型号，具有不同的灵敏度特性曲线。 对于紫外 (UV) 波段的应用，可以选择深紫外 (DUV) 增强型 2048 或 3648 像素 CCD 检测器。 在近红外 (NIR) 波段，有两种不同的 InGaAs 探测器可供选择。 如果您需要宽波长范围和高分辨率，多通道光谱仪是最佳选择。 2、光学分辨率 如果您需要非常高的光学分辨率，我们建议您选择1200线/mm或更高线对数的光栅，并选择窄狭缝和2048或3648像素的CCD探测器。 例如，对于 Maya 2000pro 光谱仪，可以选择 10um 狭缝以获得最佳分辨率。 （参见光谱仪产品部分的光学分辨率表）。 3.灵敏度说到灵敏度，重要的是要区分光度学中的灵敏度（光谱仪可以检测到的最小信号强度是多少？）或化学计量学中的灵敏度（光谱仪可以测量的最小吸光度差异）。 A。 光度灵敏度 对于荧光、拉曼等需要高灵敏度光谱仪的应用，推荐选用热电制冷型1024×58像素二维阵列CCD探测器QE65000光纤光谱仪的原理，探测器聚光镜、SAG+UPG反射镜，更宽的狭缝（100um 或更宽），该模型可以使用较长的积分时间（从 7ms 到 15 分钟）来提高信号强度，并且可以降低噪声并提高动态范围。

b. 化学计量灵敏度为了能够检测到两个振幅非常接近的吸光度值，不仅检测器的灵敏度要高，而且对信噪比也有要求。 信噪比最高的探测器是QE65000光谱仪中的热电制冷式1024×58像素二维阵列CCD探测器，信噪比为1000:1。 还可以通过在广州标旗软件中对多个光谱图像进行平均来提高信噪比。 平均次数的增加将导致 SNR 以平方根的速度增加。 例如，100 次平均可以将 SNR 提高 10 倍。 已达到10000:1。 4. 测量时间和数据传输速度 光谱仪的数据采集能力可以通过使用阵列式检测器而不是使用移动部件而得到很大提高。 但是，每个特定应用都有一个最佳检测器。 对于需要快速响应的应用，我们推荐 USB2000+ 光谱仪，其最小积分时间为 1 毫秒，是有史以来最快的光纤光谱仪。 而对于那些对数据传输时间要求非常严格的应用，我们推荐USB2000+光谱仪，它可以通过USB2.0接口每秒完成1000次完整的数据采集？ 如何选择合适的光栅？ 衍射光栅是一种光学元件，可将入射的多色光分成它包含的单色光。 光栅由一系列等宽、等间距的平行凹槽组成，这些凹槽是在涂有反光膜的基材上做标记而制成的。 根据刻槽形成方式的不同，光栅可分为全息光栅和刻线光栅两种。

刻线光栅是用金刚石剃刀在薄金属反射表面上的划线器上进行机械刻划的； 全息光栅是通过激光束干涉图案和光刻工艺形成的。 海洋光学光谱仪中的光栅包括全息光栅和刻划光栅。 光纤光谱仪中的光栅由用户指定并永久安装在光谱仪中。 接下来，用户必须指定所需的波长范围。 有时光栅的标称可用光谱范围大于照射在探测器上的光谱范围。 这时，为了覆盖更广的光谱范围，可选择双通道或三通道光谱仪。 可以为这些主通道和从通道选择不同的光栅。 同样，双通道或三通道光谱仪允许用户在更宽的光谱范围内获得更高的分辨率。 在光谱仪介绍部分，每个光谱仪型号都有一个光栅选择表。 描述了如何解释这些光栅选择表。 光谱仪的光谱范围取决于光栅的起始波长和光栅的线对数。 波长越长，色散作用越大，光栅覆盖的波长范围越小。 整个光谱仪的效率由光纤的传输效率、光栅和反射镜的效率、探测器的效率及其胶片灵敏度决定。 *注：取决于光栅的起始波长； 波长越长，光栅色散越大，实际光谱范围越小 *其他类型光栅选型及波长范围表，请咨询广州标奇电子科技有限公司 如何选择最佳光学分辨率？ 光谱仪的光学分辨率定义为光谱仪可以分辨的最小波长差异。 为了分离两条谱线，它们必须在检测器的至少两个相邻像素上成像。

因为光栅决定了不同波长在检测器上可以分离多远（色散），所以它是决定光谱仪分辨率的一个非常重要的参数。 另一个重要参数是进入光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定宽度入口狭缝或纤芯直径（未安装狭缝时）。 海洋光学提供的狭缝尺寸有：5、10、25、50、100、200μm×1000μm（高）。 在给定波长下，探测器阵列上的狭缝形成的图像通常覆盖多个像素。 如果要分离两条谱线，则必须将它们分散到此图像大小加上一个像素。 当使用芯径较大的光纤时，可以通过选择比光纤芯径窄的狭缝来提高光谱仪的分辨率。 因为这会大大减小入射光束的宽度。 光谱仪产品信息中介绍了所选光栅和入射光束有效宽度（纤芯直径或入射狭缝）对分辨率的影响表。 表1是USB4000光谱仪的典型分辨率表。 请注意，光栅的对数越高，作为波长函数的色散效应越明显，并且在较长波长处的色散效应越大（表 1），因此在最长波长处将获得最高分辨率。 光栅部分还有一个像素色散图，您可以使用它来为您的特定应用选择合适的光栅和分辨率。 表 1 USB4000 分辨率（半高宽，nm） 分划线/狭缝 10255010020060011.323.67.212000.450.60.91.73.418000.270.350.541224000.210.280.430.781.56 取决于光栅 起始波长波长； 波长越长，光栅色散越大，分辨率越高。 显示的是 USB4000 光谱仪的典型分辨率值。

请注意，光栅的对数越高，作为波长函数的色散效应越明显，并且在较长波长处的色散效应越大，因此在最长波长处将获得最高分辨率。 表 1 中的分辨率定义为对应于最大峰强度 (FWHM) 的 50% 的谱线宽度 (nm)。 ?探测器 海洋光学光谱仪可安装各种类型的探测器。 在 NIR (900-2500nm) 范围内，使用 InGaAs 阵列检测器。 CCD 检测器电荷耦合器件 CCD 检测器存储光子撞击其光敏表面时释放的电荷。 在积分时间结束时，将剩余的电荷转移到缓冲器中，然后将此信号发送到 A/D 转换卡。 CCD探测器具有自然集成的特性，因此具有非常大的动态范围，仅受暗（热）电流和AD转换卡的数据处理速度限制。 3648像素CCD集成电子快门功能，积分时间可达1毫秒。 ？ CCD探测器的优点是像素数大（2048或3648）、灵敏度高、响应速度快。 ？ 主要缺点是信噪比低。 UV 增强窗口 对于需要 2048/364 像素和波长低于 350nm 的光谱仪的应用，需要一个特殊的 UV 增强检测器窗口。 没有窗口的 CCD 探测器对波长小于 350nm 的光信号的响应非常低，而 UV4 紫外窗口增强了 CCD 探测器在 200-340nm 波长范围内的响应。

InGaAs 线性阵列探测器 InGaAs 线性成像探测器在近红外波长区域具有极高的灵敏度。 检测器由电荷放大 CMOS 晶体管阵列、移位寄存器和时序生成模块组成。 海洋光学有两种InGaAs探测器供用户选择： ? 256像素制冷InGaAs探测器，可在900-2500nm波长范围内使用。 ？ 512像素制冷InGaAs探测器，可在900-1700nm波长范围内使用。 ？ 512像素制冷InGaAs探测器，可在900-2200nm波长范围内使用。 ？ 512像素制冷InGaAs探测器，可在900-2500nm波长范围内使用。 灵敏度 探测器像素在特定波长下的灵敏度定义为单位辐射能量（光子）照射到像素上所产生的电信号强度。 对于给定的A/D转换卡，可以理解为入射光能每毫焦产生的电子计数值。 入射到光谱仪上的光能与照射到单个探测器像素上的光能之间的关系主要取决于光谱仪光学平台的结构设计。 主要影响因素有光栅的效率、入射光纤或狭缝的尺寸、光学透镜的性能、是否使用灵敏度增强透镜等。给定配置的光谱仪可以测量六十或七十次光辐射的阶数一样多。

？ 杂散光和二次衍射效应 1． 杂散光 杂散光是由错误波长（非对应信号光波长）的光辐射照射探测器像素而产生的信号。 杂散光的来源是： ? 周围环境光辐射； ？ 光学元件缺陷或非光学元件反射产生的散射光； • 不同衍射级之间的重叠。 将光谱仪安装在不透光的外壳中，可以有效消除周围环境的杂散光。 当光谱仪工作在检测限（弱光检测）时，来自光学平台、光栅和聚焦镜的杂散光强度决定了光谱仪的最终检测限。 大多数光栅是全息的并且具有低杂散光。 杂散光的测试方法是用激光束照射光谱仪，然后测量离激光波长一定距离的像素点的光强。 另一种方法是用卤钨灯作为光源，用长通或带通滤光片进行测试。美国Ocean Optics光谱仪的典型杂散光参数为