微型光纤光谱仪主要原理

微型光纤光谱仪核心原理解析

微型光纤光谱仪，顾名思义，是将传统大型光谱仪的“五脏六腑”高度集成并微型化，同时结合光纤技术，实现对物质光学特性的快速、精确分析。其核心原理可以分解为以下几个关键环节：

1. 光信号的引入与准直

• 光纤耦合: 微型光谱仪通常通过一根或多根光纤将待测样品发出的光（如荧光、拉曼散射、反射光）或透射光引入光谱仪内部。光纤的选择（如芯径、数值孔径NA）直接影响了信噪比和分辨率。例如，常用的石英光纤芯径可能在50 µm至400 µm之间，NA值一般在0.11至0.22。
• 准直镜: 进入光谱仪内部的光线首先会通过一个准直镜组，将原本发散的光束转化为平行光。这个过程对于后续的光谱分离至关重要。常用的准直镜材料包括石英、熔融石英，其表面镀有增透膜以减小光损失。

2. 光谱的分离技术

这是光谱仪的“心脏”。微型光谱仪主要采用以下两种分离技术：

2.1 衍射光栅（Diffraction Grating）

这是目前微型光谱仪中主流的分离元件。

• 工作原理: 衍射光栅表面刻有大量等间距的平行刻槽。当平行光入射到光栅上时，会发生衍射和干涉现象。根据光栅方程： $d (\sin \thetam + \sin \thetai) = m \lambda$ 其中，$d$是刻槽间距，$\thetam$是衍射角，$\thetai$是入射角，$\lambda$是波长，$m$是衍射级数。 这意味着，不同波长的光会以不同的角度衍射出去，从而将复合光分离成不同颜色的光带。
• 关键参数:
  • 刻线密度（Grooves/mm）: 决定了光谱的分辨能力。例如，1200 grooves/mm的光栅比600 grooves/mm的光栅能分离出更精细的光谱细节。
  • 衍射效率: 光栅对特定波长范围的光的衍射效率影响着仪器的灵敏度。全息光栅和离子刻蚀光栅通常具有更高的效率和更低的杂散光。
  • 闪耀波长: 光栅设计时会优化在某个特定波长范围内的衍射效率，称为闪耀波长。
  
  

2.2 棱镜（Prism）

虽然在微型光谱仪中不如光栅普及，但在某些特定应用中，棱镜因其非色散元件的特性（即衍射光栅的衍射角度与波长呈线性关系，而棱镜的折射角度与波长关系是非线性的），也可用于光谱分离。

• 工作原理: 基于材料的色散特性，即折射率随波长变化。当光线穿过棱镜时，不同波长的光会以不同角度折射，实现光谱分离。
• 优点: 结构简单，无衍射级次问题。
• 缺点: 分辨率相对较低，且在可见光和近红外区域，分辨率会随波长增加而降低。

3. 光信号的聚焦与探测

• 聚焦镜: 分离后的不同波长的光束通过一个聚焦镜组，被精确地聚焦到探测器阵列的特定像素上。
• 探测器: 通常采用CMOS或CCD线性阵列探测器，每个像素对应光谱中的一个特定波长点。探测器的量子效率、响应速度和暗电流是影响仪器性能的关键因素。例如，CMOS探测器功耗低、读出速度快，更适合便携式设备；CCD探测器信噪比通常更高，但功耗较大。
• 数据采集与处理: 探测器将接收到的光信号转化为电信号，经过模数转换（ADC）后，由内置的微处理器进行数据处理，生成光谱图。

4. 光纤集成与便携化

光纤的引入极大地简化了光谱仪的光路设计，使得仪器体积可以做得非常小巧。将这些光学元件、探测器和控制电路集成在一个紧凑的封装内，就构成了我们今天看到的微型光纤光谱仪。其尺寸可能小至几厘米见方，重量仅几十到几百克，电池供电即可长时间工作。

理解了这些基本原理，我们就能更好地理解不同型号微型光谱仪的性能差异，并在实际应用中做出更明智的选择。希望今天的分享能对大家有所启发。