光谱仪的原理与光谱测试系统.pdf

光谱仪的原理及光谱测试系统 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、选购光谱仪提供 参考。目前最常用的光谱仪有 USB4000 ，HR4000 ，Maya2000 和 QE65000 等型号，这些光 谱仪的性能、特点、定位和应用各不相同。本将将从光谱仪的分类入手，解析光谱仪和光谱 仪配件，光谱仪测试系统，光谱仪的配置与应用这几个方面。 Ⅰ 光谱仪的原理与分类 本小节从不同的光谱仪分类入手，为您解析光谱仪的内部结构、原理和特性。 1. USB2000+、USB4000 微型光纤光谱仪 1.1 特点 USB2000+和 USB4000 微型光纤光谱仪是一个系列的产品，都仅有手掌大小，非常轻便 （190 克）；它们无需电源，可由计算机直接供电，使用方便。这两种光谱仪都具有较快的 测量速度和精度，具有可编程微处理器，可以灵活地控制光谱仪和附件，在软件上完成各种 操作，例如：控制外部光源、创建进程和程序、获取外部仪器的数据等。 USB2000+和 USB4000 微型光纤光谱仪都采用模块化设计的光学平台，根据用户的需求 定制组件，所有配置的组件在出厂前都完全固定，因此光谱仪平台内没有可以移动的部件， 不会磨损或破裂，具有较高的可靠性。如果客户需求发生改变也可更换组件，但组件的更换 必须通过海洋光学的专业技术人员进行。 USB4000 和 USB2000+相比具有更多的探测器像元（3648 比2048 ）、更高的灵敏度、更 好的信噪比，其数据处理和传输时间略长。 1.2 性能参数 探测范围 200~1100nm，光学分辨率 0.3~10nm，积分时间加传输时间最快分别为 2ms 和 8.8ms。 1.3 结构 USB2000+和 USB4000 的光学平台结构如图 1 所示，其包括 1、连接器，2 、狭缝，3、 长通滤光片，4 、准直镜，5、光栅（确定波长范围），6、聚焦镜，7、探测器聚光透镜，8、 探测器，9、OFLV 消除高阶衍射滤光片（可选），10、升级为UV4 探测器（可选）。其中 1~8 为必备组件，光栅和准直镜有一些型号可供选择，9~10 为可选组件，可根据实际需求选择 采用或者不采用。下面对各个组件的作用进行逐一介绍： 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、滤波片、狭缝的相对位置，将光纤的信号光倒入光学平台，一 般采用 SMA905 连接器。 2 、狭缝：控制进入光谱仪的光通量，宽度从 5 μm~200 μm ，有 6 种选择，高度固定 为 1mm。狭缝越窄光通量越少，光谱分辨率越高。（选择不同孔径的光纤也可起同 样的作用） 3、长通滤光片：安装在连接器中，消除短波长信号光造成的倍频光，使测量的光谱分 布更准确。滤光片有 6 种选择，分别为波长大于 305、375、475 、515、550、590nm 能够通过的滤光片。 4 、准直镜：将入射光准直成一束平行光入射到光栅上，可选择普通铝准直镜或 SAG+ 准直镜，SAG+透镜是海洋光学专利，其不同于其它普通镀银反射镜，不会氧化， 其特点为吸收几乎所有的紫外光，增强可见到近红外波段的反射率（95% ），能够增 强测试的灵敏度，特别适用于荧光测量中消除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，将不同颜色的光区分出来。光栅的选择是所有 组件选择中最重要最关键的部分，其直接决定光谱仪的光学分辨率和测试范围。 USB2000+和 USB4000 共有 14 种光栅可选，根据客户的具体需求来选择合适的光 栅。 光栅有两种，分别是机械刻划光栅和闪耀光栅，刻划光栅的特点是反射率和灵敏度 高、全息光栅的特点是杂散光小。 每种光栅都有固定的刻线密度、光谱范围、闪耀波长、最有效波段。根据客户需求 选择光栅时应弄清客户需要的光谱分辨率、光谱测试范围、最常用测试波长，选择 分辨率能够满足客户要求、最有效波段涵盖光谱测试范围且闪耀波长最接近最常用 测试波长的光栅，这样能够使所测量的光都有较高的衍射效率。同等条件下选择刻