光谱仪应用之透射率测量
前言
在光学领域,对材料光学特性的精确测量至关重要。光谱仪作为一种强大的分析工具,在透射率测量方面发挥着关键作用。
光谱仪工作时,光源发出的光进入仪器,随后仪器内部的分光元件,如利用不同波长光折射率不同的棱镜,或基于光的衍射和干涉原理的光栅,将入射光分解为不同波长的光,接着由CCD 或 CMOS 探测器等接收分光后的光,探测器将光信号转换为电信号或数字信号,这些信号传输至信号处理单元,经放大、模数转换等处理,并与标准光谱对比或依据校准参数,最终在显示器上以光谱图的形式呈现出波长与光强的对应关系
光谱仪通过测量透过样品的光辐射强度,并与入射光辐射强度进行对比,从而计算出样品的透射率。其基本原理基于朗伯 - 比尔定律,即当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。光谱仪将入射光分解成不同波长的单色光,探测器分别测量每个波长下透过样品的光强I和入射光强I?,透射率T则为T=I/I?*100%。通过对不同波长下透射率的测量,可得到样品的透射光谱,进而分析样品在不同波长光下的光学特性。
图1 透射原理示意图
1. 光学材料研发与生产:在光学玻璃、晶体、薄膜等材料的研发过程中,需要精确了解材料的透射率随波长的变化情况,以优化材料配方和制备工艺。例如,在生产用于相机镜头的光学玻璃时,通过光谱仪测量不同批次玻璃的透射率,可确保产品光学性能的一致性和稳定性。
2. 太阳能光伏产业:太阳能电池的性能很大程度上取决于其对不同波长光的吸收和透过能力。光谱仪用于测量光伏材料和电池组件的透射率,有助于优化电池结构设计,提高光电转换效率。例如,研究新型透明导电薄膜在太阳能电池中的应用时,光谱仪可分析薄膜在可见光和近红外波段的透射率,评估其对电池性能的影响。
3. 生物医学领域:在生物医学研究和临床诊断中,光谱仪可用于测量生物组织、细胞溶液等的透射率。例如,通过测量血液样本的透射光谱,可分析血液中的成分含量,辅助疾病诊断;在光动力治疗中,利用光谱仪测量组织对特定波长光的透射率,可确定治疗光的穿透深度和效果。
4. 环境监测:用于测量大气、水体等对特定波长光的透射率,分析环境中的污染物成分和浓度。例如,通过测量大气对紫外光的透射率变化,可监测臭氧层空洞的情况;对水体进行光谱分析,可检测水中的悬浮颗粒物、溶解有机物等污染物含量。
(一)测量系统组成
(1)光源-光纤-支架-光谱仪系统
光源:使用宽光谱光源,提供连续的光谱范围,确保测量结果的准确性。
光纤:用于传输光源信号及接收透射光信号。
光谱仪:根据需求光谱范围、分辨率和灵敏度要求等选择合适的光谱仪,采集透射光谱数据,并进行分析。
采样附件:用于固定光纤,满足不同样品的测量需求。
图2 光源-光纤-支架-光谱仪系统透射测量搭建示意图
(2)光源-积分球-支架-光谱仪系统
光源:使用宽光谱光源,提供连续的光谱范围,确保测量结果的准确性。
光纤:使用两根光纤,一根用于将光源的光照射到样品上,另一根用于接收经过积分球均匀后的光,并传输至光谱仪中。
积分球:在透射测量系统中,积分球能够产生一个均匀的光源,这对于透射测量至关重要。通过确保光源的均匀性,可以消除因光源不均匀而导致的测量误差。
光谱仪:根据需求光谱范围、分辨率和灵敏度要求等选择合适的光谱仪,采集透射光谱数据,并进行分析。
采样附件:用于固定光纤探头,放置积分球,以满足不同样品的测量需求。
图3 光源-积分球-支架-光谱仪系统透射测量搭建示意图
(3)光源-比色皿支架-光谱仪系统
图3 光源-比色皿支架-光谱仪系统透射测量搭建示意图
(二)系统搭建及推荐配置
光谱仪透射测量系统是一个高精度的检测平台,它通过将光源发出的光经过光纤传输至样品,确保光能够有效地照射到样品表面并收集透射光,光信号再经过光纤/积分球后传输到光谱仪中进行处理,软件算法负责处理光谱仪收集到的光谱数据,将其与标准板明暗光谱对比后转换为透射率数据。该系统可实现对样品透射率的快速、精确测量,广泛应用于光学材料研发与生产,太阳能光伏产业,生物医学领域,环境监测等领域,以分析物质表面特性、质量控制和保护处理等多种领域。
表1配置
使用的透射率测量系统测试薄膜的透射率,连接仪器如图6所示:将一根光纤通过准直镜固定在测量支架上,另一端与氘钨灯光源相连,透射光经过另一根光纤到光谱仪。
图6 测试场景示意图
5.1 测试方法
(1)打开氘钨灯光源预热15分钟;打开光谱采集分析软件,运行模式选择透射模式。
(2)保存明背景光谱:采用空气作为参比,点击“连续采集”,设置合适的积分时间、平均次数和像素平滑等条件,使得原始谱图光谱强度最大值在50000左右,然后再点击一次“停止”即可停止采集,该光谱即为参比光谱,点击“保存明光谱”。
(3)保存暗背景光谱:保存暗背景光谱:保持条件不变,将钨灯光源关闭,点击“单次”,采集一条光谱,该光谱即为暗光谱,再点击“保存暗光谱。
(4)将薄膜置于透射支架载物台上,点击“透射率”按钮,再点击“透反幅”,选择显示模式为“透射率”,点击“单次”采集,此时显示的为待测样品的透射率谱图。
(5)点击“单次”采集,然后点击“导出数据”即可将数据保存到文件中,注意选择.CSV格式,命名最好以样品和当前条件命名,以便复现结果。
5.2 实验数据
图7 透射光谱图
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