光纤光谱仪的原理和应用

光纤光谱仪简介

在上世纪九十年代以来，微电子领域中的多象元光学探测器(例如CCD，光电二极管阵列)制造技术迅猛发展，使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。德国MUT公司的光谱仪使用了同样的CCD(CCD光谱仪)和光电二极管阵列探测器，可以对整个光谱进行快速扫描，不需要转动光栅。

光纤光谱仪通常采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱仪中进行光谱分析。由于光纤的方便性，用户可以非常灵活的搭建光谱采集系统。

光纤光谱仪的优势在于测量系统的模块化和灵活性。微型光纤光谱仪的测量速度非常快，可以用于在线分析。而且由于采用了低成本的通用探测器，降低了光谱仪的成本，从而也降低了整个测量系统的造价。

光纤光谱仪基本配置包括包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准，校准后光纤光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。

目前，随着光谱行业的快速发展，光纤光谱仪在国内越来越得到认可，其产品性能和质量方面跟国外产品相比几乎差不多。

光纤光谱仪的特点

(1)光纤光谱仪是光纤技术的引入，使待测物脱离了样品池的限制，采样方式变得更为灵活，利用光纤探头把远离光谱仪器的样品光谱源引到光谱仪器，以适应被测样品的复杂形状和位置。由光纤引入光信号还可使仪器内部与外界环境隔绝，可增强对恶劣环境(潮湿气候、强电场干扰、腐蚀性气体)的抵抗能力，保证了光谱仪的长期可靠运行，延长使用寿命。

(2)光纤光谱仪以电荷耦合器件(CCD)阵列作为检测器，对光谱的扫描不必移动光栅，可进行瞬态采集，响应速度极快(测量时间为13～15ms)，并通过计算机实时输出。

(3)光纤光谱仪采用全息光栅作为分光器件，杂散光低，提高了测量精度。

(4)光纤光谱仪应用计算机技术，极大地提高了光谱仪的智能化处理能力。

光纤光谱仪的原理

光纤光谱仪结构紧凑，包括入射狭缝、准直物镜、光栅、成像反射镜、滤色片和阵列探测器，还包括数据采集系统和数据处理系统。光信号经入射狭缝投射到准直物镜上，将发散光变成准平行光反射到光栅上，色散后经成像反射镜将光谱呈在阵列接收器的接收面上，形成光谱谱面。

光谱谱面既是单色光的序列排布(有高级次光谱影响)，让整个光谱中任一个微小谱带照射到相对应探测器的像元上，在此将光信号转换成电子信号后，经模拟数字转换，A/D放大，Z后由电器系统控制终端显示输出。从而完成各种光谱信号测量分析。

光纤光谱仪的应用

光纤光谱仪以其检测精度高、速度快等优点，已成为光谱测量学中使用的重要测量仪器，被广泛应用于农业、生物、化学、地质、食品安全、色度计算、环境检测、医药卫生、LED检测、半导体工业、石油化工等领域。

1、发射光谱测量

发射光谱测量可以用不同的实验布局和波长范围来实现，还要用到余弦校正器或积分球。发射光谱测量可以在紫外/可见和可见/近红外波长范围内测量。

对于发射光谱的测量，光谱仪可以配置成波长范围从200-400nm或350-1100nm，或组合起来实现紫外/可见200-1100nm，并可以在定标实验室里进行辐射定标。定标后的实验布局不能改变，如光纤和匀光器都不能更改。

2、发光二极管(LED)测量

LED测量系统用于LED光源的光谱强度及颜色指标测量。LED测量系统由以下部件组成：USB4000-VIS-NIR光谱仪、FOIS-1积分球、LS-1-CAL-INT校准光源、QP400-2-VIS-NIR光纤、LED-PS电源及电脑。

Z简单而且迅速地测量LED的整个光通量的方法就是使用一个积分球，并把它连接到一个光谱仪上。该系统可以用卤素灯进行定标(LS-1-CAL-INT)，然后用从测量到的光谱分布计算出相关参数，并实现辐射量的测量。所测光源的光谱发光强度还可以用μW/cm2/nm来计算、显示并存储。另外的窗口还可以显示大约10个参数：辐射量μW/cm2，μJ/cm2，μW或μJ；光通量lux或lumen，色轴X、Y、Z、x、y、z、u、v和色温。

3、薄膜厚度测量

光学的膜厚测量系统基于白光干涉测量原理，可以测量的膜层厚度10nm-50μm，分辨率为1nm。薄膜测量在半导体晶片生长过程中经常被用到，因为等离子体刻蚀和淀积过程需要监控；其它应用如：在金属和玻璃材料基底上镀透明光学膜层也需要测量膜层厚度。

4、透射吸收测量

透射吸收测量用于测定液体或气体中介质对作用光的吸收，依据比耳定律，吸光度正比于摩尔吸收率、光程和样品介质浓度。透射吸收测量系统由以下部件组成：USB4000-UV-VIS光谱仪、DH2000-BAL光源、QP400-025-SR光纤、CUV-UV样品池、CV-Q-10比色皿及电脑。

5、反射测量

反射测量方式分为镜面反射和漫反射测量，在实际测量中，可以采用不同的参考白板和测量角度来进行区分。反射测量用于测定样品的化学成分及表面颜色相关信息。反射测量系统由以下部件组成：USB4000光谱仪、DH2000-BAL光源、R400-7-UV-VIS反射探头、RPH-1探头支架、标准参考板WS-1及电脑。

6、激光测量

根据激光光谱的特征，检测系统配置高分辨率的HR4000微型光纤光谱仪，同时可用积分球或余弦校正器来衰减入射光，以避免CCD探测器的饱和。激光测量系统由以下部件组成：HR4000高分辨率光谱仪、FOIS-1积分球、QP400-2-VIS-NIR光纤及电脑。

7、荧光测量

荧光测量因其光谱信号特别弱，因此需要一个高灵敏的探测器及一个高xiao率的滤光片，将样品激发出的微弱信号光和高强度的激发光区别开来。荧光测量系统由以下部件组成：USB4000-FL光谱仪、PX-2光源、QP1000-2-UV-VIS光纤、LVF-HL线性可调滤光片、CUV-ALL样品池及电脑。

8、氧含量测量

氧含量是通过光纤探头荧光团的荧光强度的衰减来进行测量，应用荧光淬灭原理可以测量溶解氧或气态氧的分压，从而探测出环境的氧含量。氧含量测量系统由以下部件组成：USB4000-FL光谱仪、USB-LS-450光源、QBIF600-VIS-NIR光纤、FOXY-R探头、21-02光纤连接套管及电脑。

9、拉曼光谱测量

拉曼光谱与红外吸收光谱同为研究物质的分子振动能级从而分析物质的组成，但相对于红外吸收光谱，拉曼光谱的谱线较为简单且具有独特性，而且被测物不需进行前处理，因此在判断物质组成成分时有明显的优势。拉曼光谱测量系统特别适用于反应过程监控、产品识别、遥感及介质中高散射粒子的判定。拉曼光谱测量系统由以下部件组成：QE65000高灵敏度光谱仪、785nm/532nm激发激光器、RIP拉曼应用光纤探头及电脑。

10、激光诱导击穿光谱(LIBS)测量

LIBS是一种用于固体、液体及气体中进行实时、定性及半定量的光谱元素分析技术，其工作原理是高强度的脉冲激光聚焦在样品表面，脉宽为10ns的激光脉冲蒸发样品产生等离子体，随着等离子体的冷却，处于激发态的原子发射出元素的特征光谱，这个光谱被光纤探头收集并传送到光谱仪，通过光谱分析软件中预存的样品特征光谱进行比对分析。LIBS测量系统由以下部件组成：LIBS2500多通道高分辨率光谱仪、LIBS-BUN光纤束、LIBS-LASER激光器、LIBS-SC样品室、LIBS-IM-USB图像分析模块及电脑。