微小型光纤光谱仪

微小型光纤光谱仪(光谱分析仪)张志伟博士（北京晨辉日升光电技术有限公司）光谱学是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的一种技术。光谱测量被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成份的浓度检测或电磁辐射分析等。欲了解更详细的应用信息以及相关的实验装置，请参阅本产品目录的最后一章——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。荷兰Avantes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。荷兰Avantes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。·光学平台设计Avantes公司的AvaSpec系列光谱仪采用对称式Czerny-Turner光学平台设计，焦距有45mm，50mm和75mm三种（如图1所示）。图1AvaSpec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。关于光谱仪的灵敏度、分辨率、带宽以及杂散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根据应用领域的不同，用户必须对采用模块化设计的AvaSpec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AvaSpec光谱仪选择合适的光栅、狭缝、探测器和其它选件。1.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A型（300线/毫米）或者B型(600线/毫米)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。荷兰Avantes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（见图5）。对于紫外（UV）波段的应用，可以选用256/1024像素的CMOS探测器或者深紫外（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（C.D.E或F型），同时选择窄狭缝和2048或3648像素的CCD探测器。例如，对于AvaSpec-2048光谱仪，可以选择10微米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.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.光度灵敏度对于如荧光和喇曼等需要高灵敏度光谱仪的应用，我们建议选择采用2048像素CCD探测器的AvaSpec-2048，而且还要选择DCL-UV/VIS探测器灵敏度增强透镜、较宽的狭缝（100微米或者更宽）或者不安装狭缝、一个A型（300线/毫米）光栅。A型光栅的色散最小，所以它的灵敏度在所有光栅中是最高的。作为选项，还可以选用热电制冷型CCD探测器AvaSpec-2048-TEC，该型号可以采用长积分时间（60秒）来提高信号强度，并可以降低噪声和提高动态范围。表4给出了不同类型探测器的光度灵敏度数据，而图5则给出了每种探测器的光谱响应曲线。b.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AvaSpec-256/1024光谱仪中的256/1024像素CMOS探测器。而通过在AvASoft软件中把多幅光谱图平均也可以提高信噪比。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AvaSpec-2048FT或者USB2型CCD光谱仪。而对于那些对数据传输时间要求非常严格的应用，我们推荐选择具有USB2接口的光谱仪，并且只传输一部分像素的数据到计算机来大大缩短数据传输时间。一般地，AvaSpec-102型光谱仪是测量速度最快的光谱仪，每秒钟可以扫描6000次。表1光谱分析仪配置快速指南应用领域AvaSpec光谱仪型号光栅型号波长范围(nm)镀膜狭缝宽度（微米）FWHM分辨率(nm)探测器灵敏度增强镜消二级衍射效应滤光片消二级衍射效应镀膜生物医学2048NB500-1000无501.2无475无化学1024UA200-1100无502.0无无200-1100颜色测量102VA360-780无1006.4有/无无无256VA360-780无503.2无无无2048BB360-780无2004.1有/无无无荧光测量2048VA350-1100无2008.0有无350-1100果糖测量102IA800-1100无505.4有550无宝石鉴定2048VA350-1100无251.4有无350-1100高分辨率测量2048VD600-700无100.07无550无3648VD600-700无100.05无550无辐射测量2048UA200-1100UV502.8有/无无200-1100半导体激光器（LD）2048NC700-800无100.1无550无发光二极管（LED）2048VA350-1100无251.4有/无无350-1100激光诱导击穿光谱（LIBS）2048FTUE200-300DUV100.09无无无2048USB2UE200-300DUV100.09无无无3648USB2UE200-300DUV100.07无无无拉曼光谱2048TECNC780-930无250.2有550无薄膜测量2048UA200-1100UV-4.1有无200-1100紫外/可见/近红外2048UA200-1100UV251.4有/无无200-1100近红外NIR256-1.7NIRA1000-1700无505.0无1000无NIR256-2.2NIRZ1000-2200无5010.0无1000无·如何选择合适的光栅？衍射光栅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。光栅是由一系列等宽等间距的平行凹槽构成的，而这些凹槽是在镀反射膜的基底材料上刻划制成的。按照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。刻划光栅是用刻划机上的钻石刻刀在涂薄金属反射表面上机械刻划而成；而全息光栅则是由激光束干涉图样和光刻过程形成的。Avaspec光谱仪中的光栅既有全息光栅，也有刻划光栅。光纤光谱仪中的光栅要由用户指定，并永久安装在光谱仪中。接下来用户就要说明所需要的波长范围。有时光栅的标称可用光谱范围大于照射到探测器上的光谱范围，这时为了覆盖更宽的光谱范围，可选择双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栅。类似的，双通道或三通道光谱仪也可以使用户在更宽的光谱范围内实现更高的分辨率。在光谱仪介绍部分，对于每种光谱仪型号都有一个光栅选择表。表2介绍了如何理解这些光栅选择表。光谱仪的光谱范围取决于光栅的起始波长和光栅线对数。波长越长则色散效应越大，光栅所覆盖的波长范围就越小。图2给出了这些光栅的效率曲线。而整台光谱仪的效率则由光纤的传输效率、光栅和反射镜的效率、探测器及其膜层灵敏度的效率共同决定。图3给出了AvaSpec-2048光谱仪的光栅色散曲线。表2AvaSpec-2048光谱仪的光栅选择和波长范围表应用范围可用波长范围（nm）每块光栅覆盖的光谱范围（nm）光栅线对数（线/mm）闪耀波长（nm）光栅型号UV/VIS/NIR200-1100900300300UAUV/VIS200-850520600250UBUV200-750250-220*1200250UCUV200-650165-145*1800250UDUV200-580115-70*2400250UEUV220-40075-50*3600250UFUV/VIS250-850520600370BBVIS/NIR300-1100800300500VAVIS360-1000500600500VBVIS300-800250-200*1200500VCVIS350-750145-100*1800500VDNIR500-1050500600750NBNIR500-1050220-150*1200630NCNIR600-11005003001000IANIR600-11005006001000IB*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·如何选择最优的光学分辨率？光谱仪的光学分辨率定义为光谱仪所能分辨开的最小波长差。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。因为光栅决定了不同波长在探测器上可分开的程度（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到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定宽度的入射狭缝或光纤芯径（当没有安装狭缝时）。Avantes公司所提供的狭缝尺寸有：10，25或50μm×1000μm（高）或100，200或500μm×2000μm（高）。在指定波长处，狭缝在探测器阵列上所成的象通常会覆盖几个象元。如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到这个象尺寸再加上一个象元。当使用大芯径的光纤时，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。因为这样会大大降低入射光束的宽度。所选光栅和入射光束的有效宽度（光纤芯径或入射狭缝）对分辨率的影响表在光谱仪产品信息中都有介绍，表3是AvaSpec-2048型光谱仪的典型分辨率表。请注意，光栅的线对数越高，色散效应随波长变化就会越显著，波长越长色散效应越大（表3），因此在最长波长处会得到最高分辨率。表3中的分辨率是FWHM值，即最大峰值光强50%处（FWHM）所对应的谱线宽度（nm）（图4）。在“光栅”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栅和分辨率。表3AvaSpec-2048的分辨率（半宽度nm）狭缝宽度（μm）光栅（线/mm）1025501002005003000.81.42.44.38.020.06000.40.71.22.14.110.012000.1-0.2*0.2-0.3*0.4-0.6*0.7-1.0*1.4-2.0*3.3-4.8*18000.07-0.12*0.12-0.21*0.2-0.36*0.4-0.7*0.7-1.4*1.7-3.3*24000.05-0.09*0.08-0.15*0.14-0.25*0.3-0.5*0.5-0.9*1.2-2.2*36000.04-0.06*0.07-0.10*0.11-0.16*0.2-0.3*0.4-0.6*0.9-1.4**注：取决于光栅的起始波长；波长越长，光栅色散越大，分辨率越高所选光栅和入射光束的有效宽度（光纤芯径或入射狭缝）对分辨