光谱仪实验教学应用 | 透过率测试教学

光纤光谱仪通过光纤实现光信号的高效传输，并将不同波长的光进行分离与分析，从而获得物质的光谱特征信息。光信号进入仪器后，会被分解为不同波段，并转换为可分析的数据，最终通过软件系统生成直观的光谱结果。

与传统分光光度计相比，光纤光谱仪最显著的特点在于光路的柔性化设计。传统仪器的光源、单色器、样品室和检测器通过精密光学元件固定连接，光路调整复杂且易受环境振动影响。而光纤光谱仪采用光纤作为光传输介质，可以在复杂空间中灵活布线，使光源和光谱仪的布置不再受限于直线光路。这一特性为实验教学带来了极大的便利，学生可以根据实验需求自由设计光路，甚至将探头伸入狭小空间或恶劣环境中进行测量。

此外，光纤光谱仪的全谱采集方式，能够在毫秒级时间内获取完整波段的光谱信息。这与传统扫描式仪器需要机械转动光栅、逐点采集的方式形成鲜明对比。在教学中，这种实时全谱采集能力使学生能够直观观察光谱随实验条件变化的动态过程，极大地增强了实验的互动性和探索性。

透过率测试的核心逻辑，源于光与物质的相互作用规律。当一束平行单色光照射到待测试样品时，光的传播会受到样品的影响，一部分光会被样品吸收、反射或散射，另一部分光则会穿透样品继续传播，这部分穿透样品的光即为透射光。透过率（Transmittance，简称T）就是用来表征透射光占入射光比例的物理量，它能直观反映样品对不同波长光的透过能力，是描述材料光学特性的核心参数之一。

透过率（T）的物理定义为 “透过样品的光能量与入射到样品的光能量之比”，核心公式为：

其中：

I?是透过玻璃后进入检测系统的光强度；

I?是未经过玻璃的参考光强度（即入射光强度）；

Id是暗电流强度（无光照时检测系统的背景噪声）。

这一公式的核心逻辑是：通过对比 “有样品” 和 “无样品” 时的有效光强度，剔除环境与设备本身的干扰，得到样品真实的透光性能数据。

光纤光谱仪的透过率测试系统采用模块化设计，搭建流程简单易懂，无需复杂的机械调试，非常适合学生自主操作，核心组件可根据教学需求灵活搭配，兼顾通用性和安全性。

• 光纤光谱仪主机：实验的核心检测设备，负责将光信号转换为电信号并处理。教学中常用的光纤光谱仪多为USB接口，体积小巧（可手持或放置在实验台），工作波段覆盖350-2500nm（可见光至近紫外、近红外区域），能满足基础教学的精度需求，且支持即插即用，无需复杂的安装调试。

• 宽带光源：提供稳定的入射光，教学中常用氘钨灯等的宽带光源，可覆盖200-2500nm的波长范围，能提供连续、稳定的复合光，确保入射光强的稳定性，避免因光源波动影响实验数据。

• 石英多模光纤：负责传输光信号，连接光源、样品支架与光谱仪主机，具有低损耗、柔韧性强的特点，可灵活调整光路，且接口采用标准SMA905，便于快速插拔连接。

• 样品支架：用于固定待测试样品，教学中常用可调节支架，可适配不同厚度、大小的样品（如玻璃片、滤光片、薄膜等），且能调整样品位置，确保入射光垂直照射样品，减少光路偏移带来的误差。

• 数据处理软件：与光谱仪主机配套，用于控制仪器、采集数据、计算透过率并生成光谱曲线。教学版软件操作界面简洁，内置“透过率模式”，可扣除暗噪声、计算透过率，支持数据导出和曲线对比，便于学生分析实验结果。

• 可选组件：若需提高实验精度，可增加积分球（匀光器），使透射光经过多次反射后变得均匀，提升测试结果的稳定性和重复性；对于液体样品，可配备标准石英样品池和支架，方便测试不同浓度溶液的透过率。

(1) 仪器连接：将石英多模光纤的一端连接宽带光源的输出接口，另一端连接样品支架的入射端；再用另一根光纤连接样品支架的出射端，另一端连接光纤光谱仪的入射接口；最后将光谱仪主机通过USB线连接电脑，确保所有接口插拔牢固（避免光纤松动导致光信号丢失）。

(2) 样品准备：根据实验需求选择样品（如中性密度滤光片、长波通滤光片、普通玻璃片等），确保样品表面干净、无划痕、无污渍（污渍和划痕会导致光的散射，影响透过率数据），然后将样品池固定在样品支架上。

(3) 光路调整：打开样品支架的调节旋钮，调整样品的高度和角度，使光源发出的光垂直照射到样品中心，且透射光能准确通过样品支架的出射孔，进入传输光纤（可通过软件观察光强信号，若信号稳定且强度适中，说明光路调整到位）。

(4) 软件操作：打开电脑上的光谱仪配套软件，选择“透过率测试”模式，设置实验参数——积分时间（调整至强度参考光强无饱和，一般强度为60000左右）、明暗光谱校准。

注意事项：搭建过程中，避免光纤过度弯曲，防止光纤损耗；光源打开后需预热10-30分钟，确保光强稳定，避免因光源未稳定导致实验数据偏差；实验过程中避免用手触摸光纤接口和样品表面，防止污染。

图1 搭建示意图

与传统台式光谱仪相比，光纤光谱仪凭借其模块化、轻量化、易操作的特点，成为实验教学的首选仪器，其核心技术优势贴合教学需求，具体体现在以下5个方面：

光纤光谱仪采用即插即用设计，无需复杂的光路调试和专业的操作技能，学生经过简单培训即可独立完成搭建、测试和数据处理。配套软件界面简洁，可将重点放在实验原理理解和操作规范上，降低了实验教学的门槛。

传统台式光谱仪体积庞大、重量重，占用大量实验台空间，且不易移动；而光纤光谱仪主机体积小巧（类似手机大小），重量仅几百克，可手持或放置在小型实验台上，且采用模块化组合，光源、光纤、样品支架可灵活搭配，适合高校实验室批量配置，也可用于课堂演示实验，便于学生近距离观察操作过程。

光纤光谱仪的响应速度快，单次测试仅需毫秒级时间，完成一个样品的透过率测试（含校准、测量、计算）仅需5-10分钟，学生可在有限的实验课时内完成多个样品的测试，或进行拓展探究实验（如探究样品厚度、浓度对透过率的影响）。同时，软件实时生成光谱曲线，能直观呈现不同波长下的透过率变化，帮助学生快速理解实验结果，提升教学效率。

实验教学对仪器精度的要求无需达到工业级标准，光纤光谱仪的分辨率、光强稳定性完全能满足基础教学需求，测试数据的重复性好，能让学生获得可靠的实验结果，培养学生严谨的实验态度。同时，仪器结构紧凑，不易损坏，维护简单，适合长期批量使用。

光纤光谱仪不仅可用于透过率测试，还可拓展用于吸收率、反射率测试，适配物理、化学、材料、生物等多学科的实验教学：物理学科可用于探究光的色散、光与物质的相互作用；化学学科可用于测定溶液浓度（朗伯-比尔定律）、分析物质的吸收光谱；材料学科可用于表征薄膜、玻璃等材料的光学特性；生物学科可用于测定生物样品（如叶绿素溶液）的光谱特性，实现“一机多用”，提升仪器的教学利用率。

• 光学材料领域：用于检测玻璃、滤光片、薄膜、晶体等光学材料的透过率，判断材料的光学性能，如建筑玻璃的透光性测试、光伏压花玻璃的透射测试、干涉滤光片的性能检测等，是光学材料生产和质量控制的核心手段之一。

• 化学与生物领域：用于测定溶液的浓度、分析物质的成分，如水质检测（测定水中污染物的浓度）、药物浓度检测、生物样品（如蛋白质、核酸）的光谱分析，帮助科研人员和技术人员快速获取物质的光学特性信息。

• 工业生产领域：用于产品质量检测，如塑料产品的透光性测试、涂料的透光率检测、食品包装材料的透光性测试，确保产品符合行业标准；也可用于在线监测，如工业生产中实时检测材料的透过率变化，及时调整生产工艺。

• 环境监测领域：用于监测水体、空气的污染情况，如通过测试水体的透过率变化，判断水体的浑浊度和污染程度；通过测试大气中颗粒物的透过率，分析空气质量。

• 医疗领域：用于医疗检测设备，如光谱法检测血液中的血红蛋白浓度、尿液中的有害物质，凭借其快速、无创的特点，成为医疗检测的辅助手段。

  
  

光纤光谱仪的透过率测试实验，是连接光学理论与实践应用的重要载体，不仅能让学生掌握光谱仪的操作方法、理解光与物质的相互作用规律，更能培养学生的实验技能、误差分析能力和科学思维。与传统光谱仪相比，光纤光谱仪的便捷性、灵活性和高性价比，使其成为高校实验教学的理想仪器，既能满足基础教学的需求，又能支撑探究性、创新性实验，助力学生提升综合素养。

随着科技的发展，光纤光谱仪的性能不断提升，其应用场景也在不断拓展，未来在实验教学中，可结合物联网、大数据技术，实现实验数据的实时共享和远程操作，让学生接触更前沿的光谱分析技术；同时，可结合多学科交叉需求，设计更多综合性实验，如“光谱分析在环境监测中的应用”“材料光学特性的综合表征”等，培养学生的跨学科思维和创新能力。

总之，光纤光谱仪在透过率测试实验教学中的应用，不仅丰富了教学内容、提升了教学效率，更能帮助学生搭建“理论-实验-实际应用”的桥梁，为学生未来从事科研、工业生产等相关工作奠定坚实的基础。

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