光谱仪原理

光谱仪

光谱仪其英文为spectrometer，所谓光谱仪就是将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。

表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪（如法布里-珀罗干涉仪）具有很高的色散率和分辨本领，常用于光谱精细结构的分析。

光谱仪的原理　　
　　
根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光.　　
　　
根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道分析仪OMA(OpticalMulti-channelAnalyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集,处理,存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作,使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测量准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出.目前,它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测.

光谱仪光学平台设计


图1 USB2000+光学平台设计图

信号光由一个标准的 SMA905 光纤接口进入光学平台，先经一个球面镜准直，然后由一块平面光栅把该准直光色散，经由第二块球面镜聚焦，最后光谱的象就被投射到一块一维线性探测器阵列上。
　 　
光学平台内包括很多元件，使得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影响非常大，如衍射光栅、入射狭缝、消二级衍射效应滤光片和探测器镀膜等。

•　如何为您的应用配置光谱仪
　 　
根据应用领域的不同，用户必须对采用模块化设计的美国海洋光学光谱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根据您的应用为美国海洋光学光谱仪选择合适的光栅、狭缝、探测器和其它选件。

1. 光谱仪波长范围
　 　
在为一台光谱仪系统选择最优化配置的时侯， 波长范围 是决定光栅型号的首先要考虑的重要参数。如果您需要较宽的波长范围，我们建议您使用600 线 / 毫米的光栅（请看光谱仪产品一节中的光栅选择表）。另一个重要元件是探测器的选择。美国海洋光学公司提供了 7 种有着不同的灵敏度特性曲线的探测器型号。对于紫外（ UV ）波段的应用，可以选用深紫外（ DUV ）增强型 2048 或者 3648 像素 CCD 探测器。在近红外（ NIR ）波段，有两种不同的 InGaAs 探测器可以选择。如果您既需要较宽的波长范围同时又需要高分辨率，则多通道光谱仪是最佳的选择。

2. 光谱仪光学分辨率
　 　
如果您需要很高的 光学分辨率 ，我们建议您选择 1200 线 / 毫米或者更高线对数的光栅，同时选择窄狭缝和 2048 或 3648 像素的 CCD 探测器。例如，对于Maya 2000pro光谱仪，可以选择 10um狭缝来获得最佳分辨率。（请看光谱仪产品部分的光学分辨率表）。

3. 光谱仪灵敏度
　 　
说起 灵敏度 ，重要的是要区分开是光度学中的灵敏度（光谱仪所能探测到的最小信号强度是多少？）还是化学计量学中的灵敏度（光谱仪能够测量到的最小吸收率差）。

a. 光谱仪光度灵敏度
　 　
对于如 荧光和拉曼等需要高灵敏度光谱仪的应用，我们建议选择采用热电制冷型1024像素二维面阵CCD探测器的QE65000，而且还要选择探测器聚光透镜、SAG+UPG反射镜、较宽的狭缝（100um或者更宽），该型号可以采用长积分时间（从7毫秒到15分钟）来提高信号强度，并可以降低噪声和提高动态范围。
　 　
b. 光谱仪化学计量灵敏度
　 　
为了能探测出两个幅值很接近的吸收率数值，不但要求探测器的灵敏度高，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1024像素二维面阵CCD探测器，信噪比是1000：1。而通过在广州标旗软件中把多幅光谱图平均也可以提高信噪比，平均次数的增加，会导致信噪比以平方根的速度提高，比如，100次平均可以10倍提高信噪比，达到10000：1了。4.测量时间与数据传输速度
　 　
光谱仪的数据获取能力可以通过使用阵列型探测器并且不采用运动组件的方式大大提高。然而，对于每个具体应用都有其最优化的探测器。如对于需要快速响应的应用， 我们推荐使用 USB2000+光谱仪，最小积分时间是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，我们推荐选择USB2000+光谱仪，通过USB2.0接口每秒钟可以完成1000完整的数据采集

光谱仪的应用

光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件（光栅或棱镜）、聚焦光学系统和探测器。而在单色仪中通常还包括出射狭缝，让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而宽度可调，可以通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。
　 　
在九十年代，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（ PD ）阵列等，使生产低成本扫描仪和 CCD 相机成为可能。美国海洋光学公司的光谱仪使用了同样的 CCD 和光电二极管阵列（ PDA ）探测器，可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅。
　 　
由于光通信技术对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量光纤，把被测样品产生的信号光传导到光谱仪的光学平台中。由于光纤的耦合非常容易，所以可以很方便地搭建起由光源、采样附件和光纤光谱仪组成的模块化测量系统。
　 　
光纤光谱仪的优点在于系统的模块化和灵活性。美国海洋光学公司的微小型光纤光谱仪的测量速度非常快，使得它可以用于在线分析。而且由于它选用低成本的通用探测器，所以光谱仪的成本也大大降低，从而大大扩展了它的应用领域。