微型光纤光谱仪工作原理

微型光纤光谱仪：测量的微观之眼

在现代科学研究、工业生产和质量检测领域，的光谱分析能力是不可或缺的。而微型光纤光谱仪（Miniature Fiber Optic Spectrometer）凭借其小巧的体积、灵活的接口和出色的性能，正日益成为实验室和现场应用中的“明星设备”。它能够以一种非破坏性的方式，将物质的光谱信息转化为可分析的数据，从而揭示物质的成分、浓度、纯度乃至细微结构。

光谱仪的核心：光路设计与探测器

微型光纤光谱仪的核心工作原理，可以分解为光信号的捕获、色散和探测三个关键环节。

1. 光信号的捕获与耦合

微型光纤光谱仪通常采用光纤作为信号输入端口。实验中的光源（无论是自发光、反射光还是透射光）通过聚焦或直接耦合进一根精密的光学纤维。这根光纤扮演着“信号引线”的角色，将待测区域的光信号无损地引入光谱仪内部。光纤的数值孔径（NA）和纤芯直径是影响耦合效率的关键参数，对于痕量分析或微弱信号的捕捉尤为重要。例如，采用 NA 为 0.22 的单模或多模光纤，可以有效控制进入仪器的光束发散角，提高后续光学元件的工作效率。

2. 光的色散：棱镜或光栅的魔力

进入光谱仪内部的光信号，首先会遇到色散元件。微型光纤光谱仪主要有两种色散方式：

• 衍射光栅 (Diffraction Grating): 这是目前微型光谱仪中最主流的色散元件。光栅上刻有大量等间距的精密衍射槽。当光信号入射到光栅上时，会根据不同波长的光发生不同角度的衍射，实现光谱的分离。光栅的刻线密度（每毫米刻线数，Lpmm）和衍射级数直接决定了光谱的分辨率和覆盖范围。例如，一款微型光谱仪可能采用 1200 Lpmm 的全息光栅，在 400-700 nm 的可见光范围内，能够实现优于 2 nm 的光学分辨率。
• 棱镜 (Prism): 棱镜也是一种色散元件，利用不同波长光在介质中折射率的差异来实现光谱分离。然而，棱镜的色散特性与波长非线性相关，且对温度敏感，因此在现代微型光谱仪中的应用相对较少，多用于特定波段或要求不高的场合。

3. 光信号的探测：CCD/CMOS 阵列的精锐

经过色散元件分离后的不同波长光，会被投射到一个线阵或面阵的探测器上。微型光纤光谱仪常用的探测器包括：

• 线阵 CCD (Charge-Coupled Device): 这是最常见的探测器类型。一条包含数百至数千个像素的线阵 CCD 能够同时接收特定波段范围内的光信号。每个像素接收到的光强度被转化为电荷，经过放大和模数转换后，形成该波段的强度数据。线阵 CCD 的像素尺寸（例如 14 μm × 200 μm）和量子效率（QE，在 550 nm 处可达 80% 以上）是衡量其性能的重要指标。
• CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 图像传感器: 随着技术发展，CMOS 传感器也逐渐应用于微型光谱仪。与 CCD 相比，CMOS 具有更高的集成度、更低的功耗和更快的读出速度，在某些便携式或需要高速扫描的应用中具有优势。

系统集成与数据输出

微型光纤光谱仪将以上光学元件（准直镜、色散元件、聚焦镜）与探测器紧凑地集成在一个小型封装内。整个光学系统通常采用“交叉C-T”或“Czerny-Turner”构型，以实现良好的像质和光谱分辨率。

光信号通过光纤进入，经过精密的光学设计，被分离成不同波长的光谱，然后由探测器阵列精确捕捉。探测器产生的原始数据通过内置的电子电路进行处理，终通过 USB、RS232 或其他接口输出为数字信号。这些数据通常是波长-强度（λ-I）对的列表，可以直接用于后续的定性（如识别物质特征吸收峰）和定量（如根据峰值强度或面积计算浓度）分析。

随着技术的不断进步，微型光纤光谱仪的灵敏度、分辨率和稳定性都在持续提升，正以前所未有的方式赋能着科学探索和工业创新。