光纤光谱仪的原理和应用.docx

光纤光谱仪的原理和应用光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强吱的i种技术.光谱测崎帔广泛应用于多种领域,如颜色测量:、化学成价的浓度检测或电磁描射分析等。欲了解更具体的应用信息以及相关的试验装置,请参四本产品书目的段终一章-应用.光谱仪器一般都包括入射狭缝、准C1.镜、色散元件（光栅或梭镜）、聚焦Jt学系统和探测器.而在单色仪中通常还包括出射狭鳍，让整个光i普中一个很窄的部分照修到单象元探我（湍I:.单色仪中的入射和出射狭蟆往往位置冏定而宽度可谓.可以通过施转光擀来对整个光诺进行扫描.在九卜年头，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（PDA）阵列等,使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能.美国海泮光学公司的光谱仪运用的是CCD探测器,可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光框.由于光通信技术时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fit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.由于光纤的耦合特别简洁，所以可以很便利地搭建起由光源、采样附件和光纤光谱仪组成的模块化测凝系统.光纤光i普仪的优点在于系统的模块化和敏捷性,美国海洋光学公司的微小鞭光纤光i普仪的测盘速度特别快,使得它可以用于在线分析.而且由于它选用低成本的遹用探测器,所以光潜仪的成本也大大降低,从而大大犷展了它的应用粒域.光学平台设计海洋光学公司的光谱仪采纳CZerny-TUrner光学平台设计（如图1所示）.USB2000+光学平台组件图1USB2000+光学平台设计图信号光由一个标准的SWA905光纤接口进入光学平台，先经一个球面镜准且，然后由一块平面光H1.把该准宜光色放,经由其次块球面镜景焦，最终光谱的象就被投射到一块-维线性探冽潺阵列上.光学平台内包括很多元件，使寿用户可以依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特别大，如衍射光相、入射狭缝、消：级衍射效应滤光片和探测器镀膜等.关于光谱仪的灵敏度、辨别率、带宽以及杂敢光等将在后面的章节中为您介绍.如何为您的应用配置光谱仪依据应用领域的不问，用户必需对采熟模块化设计的关国海洋光学光诣仪中的多种光学元件和选件进行选择，本节内容就是指导您如何依据您的应用为美国海洋光学光谱仪选择合道的光H1.狭缝,探测器和其它选件。1 .波长范围在为一台光潜仪系统选择最优化用过的时快，波长能用是确定光标型号的首先要苫虑的JR要参数。假如您须要较宽的波长位困，我们建议您运用60。线/意米的光捌（请有光谱仪产品一节中的光栅选择衣）,另一个重要元件是探测器的选择。美国海洋光学公司供应了7种有着不同的灵敏度特性曲线的探测湍型号.对于紫外（UV波段的陶用,可以选用深紫外（D1.V增加型2318或者3648像素CCD探测器.在近红外（NIR）波段，有两种不同的InGaAS探测盘可以选择,假如您既须要较宽的波长范用同时乂须要高那利率，W1.多通道光谱仪是最佳的选择.2 .光学辨别率假如您须要很高的光学辨别率，我们建议您选择1200线/厘米或者更高线对数的光据，同时选择察狭缝和2048或3648像素的CCD探测器，例如，对于Haya2000jm光谱仪，Ur以选择IOUm狭缝来获得呆佳辨别率，（请看光谱仪产品部分的光学辨别率表）。3 .灵敏收说起灵敏度,重要的是要区分开是光度学中的史敏度光诣仪所能探测到的最小伯号强度是多少？）还是化学计础学中的灵瞰度（光谱仪能的测玳到的最小汲取率差）。a.光度灵敏度对于如荧光和拉域等须要高灵敏度光谱仪的应用我们建议选择采纳热电制冷室1024XSH像素二维面阵Ca）探测器的365000.而且还要选择探测器聚光透镜、SAG+UPG反射镜、较宽的狭缝（IoIhm或者更宽），该型号可以采纳长积分时间（从7息秒到15分钟）来提高信号强度，并可以降低噪声和提高动态范的.b.化学计显灵敏度为了能探测出两个解值很接近的汲取率数依，不但要求探冽器的灵拙度裔，还要求信噪比高。信噪比最高的探测器是QE65000光谱仪中的热电制冷型1024X58像索二维面阵CCD探测器，信噪比是1000：1.而通过在广州标旗软件中把多帕光谱图平均也可以提高信噪比.平均次数的增加，会导致恰噪比以平方根的速度提高，比如.100次平均可以W倍提高信嗓比，达到100OO：1了。4 .测Ift时间与数据传输速度光谱仪的数据获得实力可以通过运用降列型探测涔并且不采纳运动组件的方式大大提高,然而，对于每个具体应用林彳!"其最优化的探测器,如对于须要快速响应的应用，我们举荐运用USB2000-光谱仪，G小积分时间是1富秒，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特别严格的应用，我们举荐选择USB200（h光谱仪，通过USB2.0接I每秒钟可以完成100O完整的数据采集如何选择合适的光桢？衍射光低是一种把入射的多色光分解成它所包含的单色光的光学元件，光捱是由一系列等宽等间距的平行凹梢构成的,而这叫凹楙是在被反射脱的地底材料上刻划制成的。依据凹槽形成方式的不同可以把光栅分成两种：全息光栅和刻划光栅.刻划光低足用刻划机上的钻石刻刀在涂薄金闻反射表面上机枪刻划而成：而全息光榭则是由激光束干涉图样和光刻过程形成的，美国海洋光学光谱仪中的龙榭既有全息光捌，也有刻划光桩光纤光谱仪中的光粉要住I用户指定，并永久安装在光谱仪中.接卜来用户就要说明所须要的波长范困.有时间梯的标称可用光谱范围大于照罐到探测器上的光谱范阚.这时为r没孟更宽的光谱范粗，可选择以通道或三通道光谱仪.这些主通道和从通道可以选择不同的光榔”类似的，双通道或三通道光谱仪也可以运用户在更宽的光潮范困内实现更高的辨别率，在光谱仪介绍部分，对于短种光谱仪型号都有一个光粗选择表.介绍了如何理解这些光概选择表.光常仪的光谱范附取决于光栅的起始波长和光根纹对数.波长越长则色散效应越大,光栅所的波长范围就越小.而整台光谱仪的效率则由光纤的传输效率、光相和反射镜的效率、探测器及其腹层灵敏度的效率共同确定.* 注：取决于光出的起始波长：波长越长,光桥色敢越大.实际光谱范阚越小* 其他型号光相选择和波氏范围麦可询问广州标旗电子科技有限公司* 如何选择最优的光学辨别率？光诺仪的光学辨别率定义为光谱自所能辨别开的最小波长差。要把两个光谱线分开则至少要把它们成象到探测器的两个相邻象元上.因为光桃确定r不同波长在探测湍上可分开的程度（色敞），所以它是确定光潜仪辨别率的一个特别理要的参数，另一个虫要参数是进入到无谱仪的光束宽或，它艇本上取决于光谱仪上安装的固定宽度的入时狭缱或光纤芯径（当没有安装狭缱时）。美国海洋光学公司所供应的狭缝尺寸有：5.10.25.50.100.200UmX1.OOOH（高）.在指定波特长，狭筵在探测器阵列上所成的象通常会陨蒜几个象元.假如要分开两条光港战，就必需把它们色散到这个象尺寸再加上一个象元。当运用大芯径的光纤时，可以通过选择比光纤芯径窄的狭健来提高光谱仪的辨别率。因为这样会大大降低入射光束的宽度，所选光楣和入射光束的有效宽度光纤芯咨或入射狭缝）对辨别率的影响表在光谱仪产品伯恩中都有介绍.衣I是Usimooo光诣仪的典型辨别率我.请留意.光栅的线对数越高.色敌效应随波长变更就会越显罟，波长越长色散效应越大（表1）,因此在最长波特长会得到最高辨别率.在“光出”一节中还有象元色散图,您可以用来为您的具体应用选择合适的光标和辨别率.衣1USMOOO的辨别率半峰高宽度tun）刻线/狭缝10255010020060011.323.67.212000.450.60.91.73.418000.270.350.541224000.210.280.430.781.56*注：以上只是常规的辨别率，具体要取决于光椎的起始波长；波长越长，光极色散越大,辨别率越高所选光榭和入射光束的有效宽度（光纤芯径或入射按缝对辨别率的影响如表1所示，衣1给出的是USRWOO光谱仪的典型辨利家保。请留意，光梯的线对数趟离，色散效应随波长变更就会越显著，波长越长色敢效应越大，因此在生长波特长会得到最高辨别率.表1中的辨别率的定义是蜃大峰值光强5OE处（F1.mD所对应的谱纹宽度nm.* 探测器美国海洋光学光谱仪可以安装多种类型的探测器，在NIR（900-250Oni1.）范用则运用InGaAs阵列探测器.CCD探测摩电荷他合器件CCD探测器中储存若电荷，而当光子照耀到其光放面时电荷就会被择放.在积分时间的结尾，利余的电荷就会传送到缓冲器中，然后这个信号被传送到A/D转换卡。CCD探测器具有自然积分的特性因此具有特别大的动态范树，它只受暗（热）电流和AD转换卡数据处理速度的限制.3648象索CCD具有集成的电子快门功能.因此可以达到1¾秒的积分时间.CCD探测器的优点是象元数多（2018或3&-I8）、灵敏度高、响应速度快。主要缺点是信唤比低。紫外增加窗片对于须要运用2048/364像素的光谱仪并且波长小于350n.的应用,须要选择一种特殊的紫外增加探测器窗片。没有饰片的CCD探测器时波长小于350nm的光信号的响应很低，而UV4紫外窗片增加了CCD探测器在200-340Um波长范用的响应.InGaAs线际探测湍InGaAs线性成像探冽器在近红外波长区域有着极高的灵敏度.探测器包括一个QWS品体管的电荷放大阵列，一个移位寄存器和一个时序产生模块，美国海洋光学公司有两种InGiiAs探测器供用户选择：256像索致冷型InGaAS探测器. 512像素致疗型InGaAs探测器. 512像素致冷型InGaAs探测器, 512像素强冷型InGaAs探神器,灵敏丧可用于可用于可用于Ur用于9002500n三900-I70OnB900-220OMI900-2500n波长范围.波长范围.波长范困。波长范Itu探测器象元在某一特定波特长的灵傲度定义为照罐到该以元上的单位翻射能家（光子）所产生的电信号强度，刻于一个给定的A/D转换卡来说可以理解为斑意焦耳入射光能飞所产生的电子记数值，入射到光谱仪中的光能盘与照耀到单个探测零象元上的光能筮之间的关系主要取决于光讲仪光学平台的结构设计，主要影响因素有光出的效率、入射光纤或狭缝的尺寸、光学镜片的性能、是否运用灵故度增a1透障等。对于一个给定配置的光谱仪能就5«依六、七十倍的光辑时侬次。杂敬光和二级衍射效应1 .杂做光杂散光是横误波长（非对应信号光波长）的光辐射照罐在探测器象元上所产生的信号，杂放光的米派是：四周环境光辐射；）t学元件缺陷所产生的散射光或非光学元件产生的反射光；不同衍射级次间的取胜，把光谱仪安装在光密封的外壳内可以有效地消退四周环境带来的杂散光.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、光楣、聚焦镜的朵敞光强度就确定了光谱仪的最终探测极限。大多数光相都是全息型光栅，杂放光很低.杂做光的测试方法是用激光束照耀到光谱仪上,然后测境远离激光波特长象元的光强，另一种方法是用卤铐灯作为光源并协作长通或带通液光片进行测试.美国海洋光学光谱仪典型的杂散光参数是<0.05"1.600nm:<0.1.'W435n三;<0.1.W50nm.2.二级衍射效应对于低线对数光栅（宽可测波长范阚）来说,往往会发生光榔的二级衍射光之间的重登.这些高级次衍射光在大多数场合可以忽觇不计，但在某些场合下则必制考虑.解决的方法就是把信号无限制在不行能出现级次R在的尤谱区。具体的方法可以通过在光潜仪入口的SMA接口处安装一个长通注光片或在探测器前面的爱护窗镜上镀特殊膜层来实现。该爱护窗所能的膜层通常是一个长通浊光片（590n三）或两个长通灌光片（35Onn1.和550nm）,取决于所选择的光栅型号及其光谱范围.光谱仪平台美国海洋光学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，具有独立工作的实力多通道型光谱仪可以实现通道间同步该铝、Iwo1.T数字限制信号和USB及KS232接口可以在有/无计算机环境下轻松运用.典型应用美国海泮光学光谱仪的应用领域特别广泛，如农业、天文、汽车、生物、化学、镀眼、色度计审、环境检测、薄膜工业、食品、宝石检测、1.ED检测、印刷、造纸、拉哒光谱、华导体工业等。下面介绍一些典型应用。1 .颜色测盘详情请点击）色度仪，色度计般来说,物体和浓胸液体的颜色测敏可以运用不同的试验布局，比如运用反射型光纤探头或积分原，在该测墩中,可以运用波长范I目在380到780nm,辨别率（FWHM）为5n-的光谱仪；此外，还须要白光连续光源和白色反射瓦。对于测及坊织品、纸张、水果、匍曲酒、鸟类羽毛颜色等不同的应用可以运用不同的光纤探头.应用反射光谱的颜色测壮的典型试5金布同如图所示.2,版外/可见汲取光谱祗依（详情请点击）液体的汲取率测H可以用不同的试验布局和波长范围来实现，如运用浸入型光纤探头或流淌样品池进行在线汲取率制量，或运用样品固定器进行样品的汲取率测量.对于测出紫外/可见波长范围的光谱仪,可以选抨波长范困200-1100nm.辨别率1.4nm（E1.HM）.此外还须要笊-肉素灯作为光源,不同的应用可以选择不同的光纤探头,汲取率测汆的典型试验布局如图所示.3 .放射光谱测出放射光诺测业可以用不同的试脸布局和波长范围来实现,还要用到余弦校正器或枳分球。放射光谱测量可以在紫外/可见和可见/近红外波长范用内测技.对于放射光谱的肯定测Jft,光讷仪可以配置成波长范困从200TOOnm或350-1100nm,或组合起来实现紫外/可见200T100nm,并可以在美国海泮光学公司的定标试验空电进行辐射定标.定标后的试验布局不能变更.如光纤和匀光潺都不能更改.为了使试验布局更政提，用可见/近红外定标光源(1.STYU)或紫外/可见/近红外定标光源(I)H2000-CAI.可以在用户现场进行定标.功能强大的广州标飘软件可以完成定标并觐入辎射定标数据，放射光谱测吊的典型试验布局如图所示.USR4000-VIS-NIR1.S-I-CA1.4 .1.EDMft最简洁而且快速地冽值I.ED的整个光通髭的方法就是运用一个枳分球,并把它连接到一个美国海洋光学公司的光谐仪上。该系统可以用囱素灯进行定标(1.ST-CA1.-INT),然后用广州标旗软件从测量到的光滑分布计蚌出相关参数，并实现轴附设的泞定测量，所测光源的光谱发光强度还可以用uWcm2n兴计算、故示并存谛.另外的期口还可以故示大约10个参数：辐射晶Ucm2,Jcm2,PW或j:光通IftIUX或IUmen,色轴IX,Y,Z,x,y,z.,Y和色温，1.印测最的典型试聆布局如图所示。5 .薄膜厚度测量(详情请点击)美国海洋光学的腰厚测盘系统基于白光干涉测知原理.可以测出的腋层厚度IOnm50um,辨别率为InnU薄膜刈信在半导体晶片生长过程中常常被用到，因为等高子体刻蚀和淀枳过程须要监控；其它应用如在金属和玻璃材料蛆底上披透亮光学腰层也须要测试煤层原度。配套的广州标旗应用软件包括丰富的各种常用材料和腴层的“值和k值，可以实现腴层厚度的在线监测,并可以谕出到EXCeI文件进行过程限制.薄膜厚度测量的典型试脸布局如图所示.6 .真空室镀服过程监控光纤光谱仪为真空室内镀膜过程的监控供应了一种触搏的测辰手段，它可以便利地把光引入井引出出空室或干净工作仓，同时透扑镀膜过程分析所须要测城的参数.在实际的在我生产中，可以在工作会中放置几个探头来检测整个生产过程。图示为JI空室镀膜过程监控的典型试验布局.在这里一个反射型光纤探头用来在城监测镀眼过程。JK因素灯发出的光枝导入真空室并传导到反射探头上，反射光由反射探头传导到光谱仪中：也可以再增加一个速道作为参考涮业来补偿光源的波动。7,乳浓度传感涔（详情请点击）就浓度传感擀包括一个光纤荧光探头,探头表面镀有专利技术的膜层,并运用一个蓝光1.ED作为激发源,还有-台岛以敏健的款型光谱仪.该传感器应用荧光技术测址氧的肯定含A.样品产生的荧光反射回探测器匕当气态或液态样品中的软扩散到探头的脱层上时，就会使英光猝灭，猝灭的程度与样品中的氧的浓度是相关的，广州标旗应用软件可以同时校正传感器并监测氧的浓度.制浓改测Ift的典型试验布局如图所示.8 .宝石成分检测（详情请点击）颜色是推断钻石成色的确定因素之。白然钻石和人造钻石可以用波长范用在400-750nm的光检测出来.在自然Ia类钻石的汲取诺中可以发觉415IU1.和i78rm的特征波长.而人造怙石在该波特长则没行汲取嶂.人造怙石中可以探测到592nm和74In1.1.的波长.而且自然钻石和人造拈石的汲取峰幅仍相差近1。倍,当然先它宝石也可以用这种方法检测,如红宝石、紫翠玉、蓝宝石等。宝石成分检测的典型试骁布局如图所示。9 .荧光测仪（详情请点击）一荧光光谱仪系统在很多应用领域如生物学（叶绿素和类用萝卜素）、生物医学（恶性病的荧光诊断）和环境应用中都须要用到荧光检测技术-荧光检测通常须要高以敏度光讲仪（积分时间大于5杪时选用QE65000）。在大多数应用中荧光能破仅为激发光能笊的3%,波长要长于激发无，而旦时散射光，在英光测显系统中，肯定要避开激发光进入到光谱仪中,荧光测破的典型试验布局如图所示.10 .生物医学应用（详情请点击在过去的十年中，美国海洋光学公司帮助很多用户进行了血成分分析的非侵入式和侵入式的光谱学测玳手段，测收了很多或要的医学指标，如组织和奴理中的氧浓度、血色素、细恂色素和水浓度等.非侵入式拉测系统包括微型光纤光谱仪、1.S-I囱钙灯和反射型光纤探头而侵入式检测系统则运用了一根梢入于导管中的特殊的反射型光纤探头.在须要连续测量氧浓度、血色素的氧化和去氧化过程的医学应用中，该系统得到了胜利的应用。生物医学应用的典型试骁布局如图所示。11 .拉曼光i普测量（详情谛点击OceanopticsRaman拉曼光谱仪系统是一台高度集成化而且价格很低的系统.适用于须要拉亚测量的应用领域.OceanopticsRnmnn拉域系统包括半导体激光渊,QE65000光纤光谱仪，和多种可选光纤探头和广州标旗Raman应用软件.OceanopticsRaman拉光谱仪系统彳f僦个艇本型：1。低成本非冷却型，播别率25cnr1.,2.高性能TECt冷里，辨别率IoCnr1。QSpeCRanan拉变光谱仪系统特殊适用于反应过程监控、产品识别、遥感.水溶液、凝肢体和共它介痂中高散射粒子的判定,QSPeCRaman拉她光谱仪系统的光源也可以选择0-50OmW功率可谓785Im固体激光器或者532固体激光器。12 .颜色混合及兀配广州标旗软件可以与其它能川于颜色测量的荚国海洋光学光谱仪耕作运用.主要的应用领域是印刷业、印染业和绘图业它的主要功能是创建一个新颜色与数据诲中的已知颜色进行比对并进行校正，也可以创建个新颜色来与蓿色文件中的颜色进行比对。13 .材料（金属/非金属）成分检测详情请点击1.1.BS（激光诱导焚光）技术是基于激光束聚焦到鼓刈样品上所产生的物质电寓过程.电子的再结合会发光，对该光谱进行分析探讨可以如到被测物斯的成分.UBS技术最初是由美国1.OSA1.agS国家武验室的DaVidCretners探讨小姐在二十笠年前独创的从今以后,1.1.BS技术胜利地被用于黑地元索的检测和恶劣环境卜的在城成分分析等应用中.依据所分析的元素不同,1.IBS技术可以探测P1.Xn到PPt欲的含而且不须要对所测样品进行加工（如拊光，溶解等，可以分析固态、液态、气态样品。1.IBS是一款结构紧凑、操作简便、分析结果精确的分析系统。它把而能激光束聚焦到样品匕然后同轴收集产生的信号光并用高辨别率、多通道'快触发型光谱仪进行分析.14 .园艺测t(详情请点击园艺测妣光谱仪般开发用于测M温室中可见光和近红外光区域内的光强度和光谱分布。光的初度和光强的谱城分布是影响植物的生长和光合作用的特别重要的因或对于光强度，可以通过经由辐射校准过的精确地测收出光子数和其他参数，特地针对园艺学测I般光谱仪可以通过蓝牙接口无跷连接到远程计第机。计豫机可以用来限制温室中浊光镜的移动或者跟制特殊的灯泡，广州标旗电子科技有限公司梁隹峥Mobi1.e:Te1.:+86-20-3831%(>2?38319620Web：E-mai1.:1.iangjianfcnggzbiaoqiQQ：779069141广州天河区五山金颗路号金筑大厦171151()640