光纖光譜儀簡(jiǎn)介

在上世紀(jì)九十年代以來(lái)，微電子領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測(cè)器(例如CCD，光電二極管陣列)制造技術(shù)迅猛發(fā)展，使生產(chǎn)低成本掃描儀和CCD相機(jī)成為可能。德國(guó)MUT公司的光譜儀使用了同樣的CCD(CCD光譜儀)和光電二極管陣列探測(cè)器，可以對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行快速掃描，不需要轉(zhuǎn)動(dòng)光柵。

光纖光譜儀通常采用光纖作為信號(hào)耦合器件，將被測(cè)光耦合到光譜儀中進(jìn)行光譜分析。由于光纖的方便性，用戶(hù)可以非常靈活的搭建光譜采集系統(tǒng)。

光纖光譜儀的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量系統(tǒng)的模塊化和靈活性。微型光纖光譜儀的測(cè)量速度非?？?，可以用于在線(xiàn)分析。而且由于采用了低成本的通用探測(cè)器，降低了光譜儀的成本，從而也降低了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的造價(jià)。

光纖光譜儀基本配置包括包括一個(gè)光柵，一個(gè)狹縫，和一個(gè)探測(cè)器。這些部件的參數(shù)在選購(gòu)光譜儀時(shí)必須詳細(xì)說(shuō)明。光譜儀的性能取決于這些部件的精確組合與校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后光纖光譜儀，原則上這些配件都不能有任何的變動(dòng)。

目前，隨著光譜行業(yè)的快速發(fā)展，光纖光譜儀在國(guó)內(nèi)越來(lái)越得到認(rèn)可，其產(chǎn)品性能和質(zhì)量方面跟國(guó)外產(chǎn)品相比幾乎差不多。

光纖光譜儀的特點(diǎn)

(1)光纖光譜儀是光纖技術(shù)的引入，使待測(cè)物脫離了樣品池的限制，采樣方式變得更為靈活，利用光纖探頭把遠(yuǎn)離光譜儀器的樣品光譜源引到光譜儀器，以適應(yīng)被測(cè)樣品的復(fù)雜形狀和位置。由光纖引入光信號(hào)還可使儀器內(nèi)部與外界環(huán)境隔絕，可增強(qiáng)對(duì)惡劣環(huán)境(潮濕氣候、強(qiáng)電場(chǎng)干擾、腐蝕性氣體)的抵抗能力，保證了光譜儀的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命。

(2)光纖光譜儀以電荷耦合器件(CCD)陣列作為檢測(cè)器，對(duì)光譜的掃描不必移動(dòng)光柵，可進(jìn)行瞬態(tài)采集，響應(yīng)速度極快(測(cè)量時(shí)間為13～15ms)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)輸出。

(3)光纖光譜儀采用全息光柵作為分光器件，雜散光低，提高了測(cè)量精度。

(4)光纖光譜儀應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，極大地提高了光譜儀的智能化處理能力。

光纖光譜儀的原理

光纖光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，包括入射狹縫、準(zhǔn)直物鏡、光柵、成像反射鏡、濾色片和陣列探測(cè)器，還包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。光信號(hào)經(jīng)入射狹縫投射到準(zhǔn)直物鏡上，將發(fā)散光變成準(zhǔn)平行光反射到光柵上，色散后經(jīng)成像反射鏡將光譜呈在陣列接收器的接收面上，形成光譜譜面。

光譜譜面既是單色光的序列排布(有高級(jí)次光譜影響)，讓整個(gè)光譜中任一個(gè)微小譜帶照射到相對(duì)應(yīng)探測(cè)器的像元上，在此將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)后，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，A/D放大，Z后由電器系統(tǒng)控制終端顯示輸出。從而完成各種光譜信號(hào)測(cè)量分析。

光纖光譜儀的應(yīng)用

光纖光譜儀以其檢測(cè)精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，已成為光譜測(cè)量學(xué)中使用的重要測(cè)量?jī)x器，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、生物、化學(xué)、地質(zhì)、食品安全、色度計(jì)算、環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、LED檢測(cè)、半導(dǎo)體工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域。

1、發(fā)射光譜測(cè)量

發(fā)射光譜測(cè)量可以用不同的實(shí)驗(yàn)布局和波長(zhǎng)范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)，還要用到余弦校正器或積分球。發(fā)射光譜測(cè)量可以在紫外/可見(jiàn)和可見(jiàn)/近紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)量。

對(duì)于發(fā)射光譜的測(cè)量，光譜儀可以配置成波長(zhǎng)范圍從200-400nm或350-1100nm，或組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)紫外/可見(jiàn)200-1100nm，并可以在定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行輻射定標(biāo)。定標(biāo)后的實(shí)驗(yàn)布局不能改變，如光纖和勻光器都不能更改。

2、發(fā)光二極管(LED)測(cè)量

LED測(cè)量系統(tǒng)用于LED光源的光譜強(qiáng)度及顏色指標(biāo)測(cè)量。LED測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-VIS-NIR光譜儀、FOIS-1積分球、LS-1-CAL-INT校準(zhǔn)光源、QP400-2-VIS-NIR光纖、LED-PS電源及電腦。

Z簡(jiǎn)單而且迅速地測(cè)量LED的整個(gè)光通量的方法就是使用一個(gè)積分球，并把它連接到一個(gè)光譜儀上。該系統(tǒng)可以用鹵素?zé)暨M(jìn)行定標(biāo)(LS-1-CAL-INT)，然后用從測(cè)量到的光譜分布計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)輻射量的測(cè)量。所測(cè)光源的光譜發(fā)光強(qiáng)度還可以用μW/cm2/nm來(lái)計(jì)算、顯示并存儲(chǔ)。另外的窗口還可以顯示大約10個(gè)參數(shù)：輻射量μW/cm2，μJ/cm2，μW或μJ；光通量lux或lumen，色軸X、Y、Z、x、y、z、u、v和色溫。

3、薄膜厚度測(cè)量

光學(xué)的膜厚測(cè)量系統(tǒng)基于白光干涉測(cè)量原理，可以測(cè)量的膜層厚度10nm-50μm，分辨率為1nm。薄膜測(cè)量在半導(dǎo)體晶片生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)常被用到，因?yàn)榈入x子體刻蝕和淀積過(guò)程需要監(jiān)控；其它應(yīng)用如：在金屬和玻璃材料基底上鍍透明光學(xué)膜層也需要測(cè)量膜層厚度。

4、透射吸收測(cè)量

透射吸收測(cè)量用于測(cè)定液體或氣體中介質(zhì)對(duì)作用光的吸收，依據(jù)比耳定律，吸光度正比于摩爾吸收率、光程和樣品介質(zhì)濃度。透射吸收測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-UV-VIS光譜儀、DH2000-BAL光源、QP400-025-SR光纖、CUV-UV樣品池、CV-Q-10比色皿及電腦。

5、反射測(cè)量

反射測(cè)量方式分為鏡面反射和漫反射測(cè)量，在實(shí)際測(cè)量中，可以采用不同的參考白板和測(cè)量角度來(lái)進(jìn)行區(qū)分。反射測(cè)量用于測(cè)定樣品的化學(xué)成分及表面顏色相關(guān)信息。反射測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000光譜儀、DH2000-BAL光源、R400-7-UV-VIS反射探頭、RPH-1探頭支架、標(biāo)準(zhǔn)參考板WS-1及電腦。

6、激光測(cè)量

根據(jù)激光光譜的特征，檢測(cè)系統(tǒng)配置高分辨率的HR4000微型光纖光譜儀，同時(shí)可用積分球或余弦校正器來(lái)衰減入射光，以避免CCD探測(cè)器的飽和。激光測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：HR4000高分辨率光譜儀、FOIS-1積分球、QP400-2-VIS-NIR光纖及電腦。

7、熒光測(cè)量

熒光測(cè)量因其光譜信號(hào)特別弱，因此需要一個(gè)高靈敏的探測(cè)器及一個(gè)高xiao率的濾光片，將樣品激發(fā)出的微弱信號(hào)光和高強(qiáng)度的激發(fā)光區(qū)別開(kāi)來(lái)。熒光測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀、PX-2光源、QP1000-2-UV-VIS光纖、LVF-HL線(xiàn)性可調(diào)濾光片、CUV-ALL樣品池及電腦。

8、氧含量測(cè)量

氧含量是通過(guò)光纖探頭熒光團(tuán)的熒光強(qiáng)度的衰減來(lái)進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)用熒光淬滅原理可以測(cè)量溶解氧或氣態(tài)氧的分壓，從而探測(cè)出環(huán)境的氧含量。氧含量測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀、USB-LS-450光源、QBIF600-VIS-NIR光纖、FOXY-R探頭、21-02光纖連接套管及電腦。

9、拉曼光譜測(cè)量

拉曼光譜與紅外吸收光譜同為研究物質(zhì)的分子振動(dòng)能級(jí)從而分析物質(zhì)的組成，但相對(duì)于紅外吸收光譜，拉曼光譜的譜線(xiàn)較為簡(jiǎn)單且具有獨(dú)特性，而且被測(cè)物不需進(jìn)行前處理，因此在判斷物質(zhì)組成成分時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)。拉曼光譜測(cè)量系統(tǒng)特別適用于反應(yīng)過(guò)程監(jiān)控、產(chǎn)品識(shí)別、遙感及介質(zhì)中高散射粒子的判定。拉曼光譜測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：QE65000高靈敏度光譜儀、785nm/532nm激發(fā)激光器、RIP拉曼應(yīng)用光纖探頭及電腦。

10、激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)測(cè)量

LIBS是一種用于固體、液體及氣體中進(jìn)行實(shí)時(shí)、定性及半定量的光譜元素分析技術(shù)，其工作原理是高強(qiáng)度的脈沖激光聚焦在樣品表面，脈寬為10ns的激光脈沖蒸發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體，隨著等離子體的冷卻，處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)射出元素的特征光譜，這個(gè)光譜被光纖探頭收集并傳送到光譜儀，通過(guò)光譜分析軟件中預(yù)存的樣品特征光譜進(jìn)行比對(duì)分析。LIBS測(cè)量系統(tǒng)由以下部件組成：LIBS2500多通道高分辨率光譜儀、LIBS-BUN光纖束、LIBS-LASER激光器、LIBS-SC樣品室、LIBS-IM-USB圖像分析模塊及電腦。