光譜學是測量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強度的一種技術。光譜測量被廣泛應用于多種領域，如顏色測量、化學成份的濃度檢測或電磁輻射分析等。欲了解更詳細的應用信息以及相關的實驗裝置，請參閱本產品目錄的最后一章——應用。

 

          廣州標旗電子科技有限公司是海洋光學光纖光譜儀全國總代理,精通光纖光譜儀的拉曼，近紅外等應用，咨詢電話(020)38319602 38319620 38319595

　 　光譜儀器一般都包括入射狹縫、準直鏡、色散元件（光柵或棱鏡）、聚焦光學系統和探測器。而在單色儀中通常還包括出射狹縫，讓整個光譜中一個很窄的部分照射到單象元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定而寬度可調，可以通過旋轉光柵來對整個光譜進行掃描。

　 　在九十年代，微電子領域中的多象元光學探測器迅猛發展，如 CCD 陣列、光電二極管（ PD ）陣列等，使生產低成本掃描儀和 CCD 相機成為可能。美國海洋光學公司的光譜儀使用了同樣的 CCD 和光電二極管陣列（ PDA ）探測器，可以對整個光譜進行快速掃描而不必移動光柵。

　 　由于光通信技術對光纖的需求大大增長，從而開發了低損耗的石英光纖。該光纖同樣可以用于測量光纖，把被測樣品產生的信號光傳導到光譜儀的光學平臺中。由于光纖的耦合非常容易，所以可以很方便地搭建起由光源、采樣附件和光纖光譜儀組成的模塊化測量系統。

　 　光纖光譜儀的優點在于系統的模塊化和靈活性。美國海洋光學公司的微小型光纖光譜儀的測量速度非�？�，使得它可以用于在線分析。而且由于它選用低成本的通用探測器，所以光譜儀的成本也大大降低，從而大大擴展了它的應用領域。

•　光學平臺設計
　　海洋光學公司的光譜儀采用Czerny-Turner 光學平臺設計（ 如圖 1 所示 ） 。

 圖1 USB2000+光學平臺設計圖

　 　信號光由一個標準的 SMA905 光纖接口進入光學平臺，先經一個球面鏡準直，然后由一塊平面光柵把該準直光色散，經由第二塊球面鏡聚焦，最后光譜的象就被投射到一塊一維線性探測器陣列上。
　 　光學平臺內包括很多元件，使得用戶可以根據自己的應用選擇最合適的配置。這些元件的選擇對光譜儀的參數影響非常大，如衍射光柵、入射狹縫、消二級衍射效應濾光片和探測器鍍膜等。關于光譜儀的靈敏度、分辨率、帶寬以及雜散光等將在后面的章節中為您介紹。

•　如何為您的應用配置光譜儀
　 　根據應用領域的不同，用戶必須對采用模塊化設計的美國海洋光學光譜儀中的多種光學元件和選件進行選擇。本節內容就是指導您如何根據您的應用為美國海洋光學光譜儀選擇合適的光柵、狹縫、探測器和其它選件。
1. 波長范圍
　 　在為一臺光譜儀系統選擇最優化配置的時侯， 波長范圍 是決定光柵型號的首先要考慮的重要參數。如果您需要較寬的波長范圍，我們建議您使用600 線 / 毫米的光柵（請看光譜儀產品一節中的光柵選擇表）。另一個重要元件是探測器的選擇。美國海洋光學公司提供了 7 種有著不同的靈敏度特性曲線的探測器型號。對于紫外（ UV ）波段的應用，可以選用深紫外（ DUV ）增強型 2048 或者 3648 像素 CCD 探測器。在近紅外（ NIR ）波段，有兩種不同的 InGaAs 探測器可以選擇。如果您既需要較寬的波長范圍同時又需要高分辨率，則多通道光譜儀是最佳的選擇。
2. 光學分辨率
　 　如果您需要很高的 光學分辨率 ，我們建議您選擇 1200 線 / 毫米或者更高線對數的光柵，同時選擇窄狹縫和 2048 或 3648 像素的 CCD 探測器。例如，對于Maya 2000pro光譜儀，可以選擇 10um狹縫來獲得最佳分辨率。（請看光譜儀產品部分的光學分辨率表）。

3. 靈敏度
　    光度學中的靈敏度（光譜儀所能探測到的最小信號強度是多少？）
　    對于如 熒光和拉曼等需要高靈敏度光譜儀的應用，我們建議選擇采用熱電制冷型1024像素二維面陣CCD探測器的QE65000，而且還要選擇探測器聚光透鏡、SAG+UPG反射鏡、較寬的狹縫（100um或者更寬），該型號可以采用長積分時間（從7毫秒到15分鐘）來提高信號強度，并可以降低噪聲和提高動態范圍。
　 　

4.測量時間與數據傳輸速度
　 　光譜儀的數據獲取能力可以通過使用陣列型探測器并且不采用運動組件的方式大大提高。然而，對于每個具體應用都有其最優化的探測器。如對于需要快速響應的應用， 我們推薦使用 USB2000+光譜儀，最小積分時間是1毫秒，是有史以來最快的光纖光譜儀。而對于那些對數據傳輸時間要求非常嚴格的應用，我們推薦選擇USB2000+光譜儀，通過USB2.0接口每秒鐘可以完成1000完整的數據采集

表1 光譜分析儀配置快速指南

應用范圍	儀器型號	光柵, 波長范圍	狹縫	靈敏度增強聚光鏡	消二級衍射效應濾光片	紫外窗片
液體吸光度測量	USB2000+	#1,200-850nm	25μm		OFLV-200-850	UV2
氣體吸光度測量	HR4000	H7,200-300nm	5um	L4		UV4
上升流和下降流輻射測量	HR4000	HC-1,200-1100nm	50um		OFLV-H4	UV4
氧含量傳感器	USB4000-FL-450	#3,360-1000nm	200um	L4
溶液熒光測量	USB4000-FL	#3,380-1000nm	200um	L4
固體熒光測量	USB4000-FL	#3,380-1000nm	200um	L4
薄膜厚度的測量	USB4000	#1,200-850nm	25μm		OFLV-200-850
顏色測量-反射	USB4000	#2,350-1000nm	25μm	L2	OFLV-350-1000
顏色測量-發射	USB4000	#2,350-1000nm	25μm	L2
LED的分析測量	USB2000+	#2,350-1000nm	25μm	L2	OFLV-350-1000
近紅外光譜分析	NIR256	900-1700nm
拉曼散射光譜	QE65000
激光測量	HR4000	#H6, 750-925nm	5μm
激光誘導擊穿光譜儀	LIBS2500+
紫外可見反射測量	USB2000+	#1,200-850nm	25um		OFLV-200-850

 

•　 如何選擇合適的光柵？ 　　
　 　衍射光柵是一種把入射的多色光分解成它所包含的單色光的光學元件。光柵是由一系列等寬等間距的平行凹槽構成的，而這些凹槽是在鍍反射膜的基底材料上刻劃制成的。
　 　按照 凹槽形成方式的不同可以把光柵分成兩種：全息光柵和刻劃光柵�？虅澒鈻攀� 用刻劃機上的鉆石刻刀在涂薄金屬反射表面上機械刻劃而成 ；而全息光柵則是由激光束干涉圖樣和光刻過程形成的。 美國海洋光學光譜儀中的光柵既有全息光柵，也有刻劃光柵。
　 　光纖光譜儀中的光柵要由用戶指定，并永久安裝在光譜儀中。接下來用戶就要說明所需要的波長范圍。有時光柵的標稱可用光譜范圍大于照射到探測器上的光譜范圍，這時為了覆蓋更寬的光譜范圍，可選擇雙通道或三通道光譜儀。這些主通道和從通道可以選擇不同的光柵。類似的，雙通道或三通道光譜儀也可以使用戶在更寬的光譜范圍內實現更高的分辨率。
　 　在光譜儀介紹部分，對于每種光譜儀型號都有一個光柵選擇表。介紹了如何理解這些光柵選擇表。光譜儀的光譜范圍取決于光柵的起始波長和光柵線對數。波長越長則色散效應越大，光柵所覆蓋的波長范圍就越小。
　 　而整臺光譜儀的效率則由光纖的傳輸效率、光柵和反射鏡的效率、探測器及其膜層靈敏度的效率共同決定。 

*注：取決于光柵的起始波長；波長越長，光柵色散越大，實際光譜范圍越小
*其他型號光柵選擇和波長范圍表可咨詢廣州標旗

•　如何選擇最優的光學分辨率？

　　光譜儀的光學分辨率定義為光譜儀所能分辨開的最小波長差。要把兩個光譜線分開則至少要把它們成象到探測器的兩個相鄰象元上。因為光柵決定了不同波長在探測器上可分開的程度（色散），所以它是決定光譜儀分辨率的一個非常重要的參數。
　　另一個重要參數是進入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決于光譜儀上安裝的固定寬度的入射狹縫或光纖芯徑（當沒有安裝狹縫時）。
　　美國海洋光學公司所提供的狹縫尺寸有：5，10，25，50，100，200μm×1000μm（高）。
　　在指定波長處，狹縫在探測器陣列上所成的象通常會覆蓋幾個象元。如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到這個象尺寸再加上一個象元。當使用大芯徑的光纖時，可以通過選擇比光纖芯徑窄的狹縫來提高光譜儀的分辨率。因為這樣會大大降低入射光束的寬度。
　　所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對分辨率的影響表在光譜儀產品信息中都有介紹，表 3 是 USB4000光譜儀的典型分辨率表。請注意，光柵的線對數越高，色散效應隨波長變化就會越顯著，波長越長色散效應越大（表 3 ），因此在最長波長處會得到最高分辨率。
　　表 3 中的分辨率是 FWHM 值，即最大峰值光強 50% 處（ FWHM ）所對應的譜線寬度（ nm ）（圖 4 ）。在 “ 光柵 ” 一節中還有象元色散圖，您可以用來為您的具體應用選擇合適的光柵和分辨率。
表3USB4000的分辨率（半寬度nm）  *注：以上只是常規的分辨率，具體要取決于光柵的起始波長；波長越長，光柵色散越大，分辨率越高

　　所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對分辨率的影響如表3所示，表3給出的是USB4000光譜儀的典型分辨率值。請注意，光柵的線對數越高，色散效應隨波長變化就會越顯著，波長越長色散效應越大，因此在最長波長處會得到最高分辨率。表3中的分辨率的定義是最大峰值光強50%處（FWHM）所對應的譜線寬度（nm）。
　　　　　　　　　　　　　
•　探測器
　　美國海洋光學光譜儀可以安裝多種類型的探測器。在下一個章節 “ 靈敏度 ” 里表 4 中將有一個很完整的介紹。在 NIR （ 900-2500nm ）范圍則使用 InGaAs 陣列探測器。

CCD 探測器
　　電荷耦合器件 CCD 探測器中儲存著電荷，而當光子照射到其光敏面時電荷就會被釋放。在積分時間的結尾，剩余的電荷就會傳送到緩沖器中，然后這個信號被傳送到 A/D 轉換卡。 CCD 探測器具有自然積分的特性因此具有非常大的動態范圍，它只受暗（熱）電流和 AD 轉換卡數據處理速度的限制。 3648 象素 CCD 具有集成的電子快門功能，因此可以達到 10 微秒的積分時間。
•  CCD 探測器的優點是象元數多（ 2048 或 3648 ）、靈敏度高、響應速度快。
•  主要缺點是信噪比低。

紫外增強窗片
對于需要使用2048/364像素的光譜儀并且波長小于 350nm 的應用，需要選擇一種特殊的紫外增強探測器窗片 。沒有窗片的CCD探測器對波長小于350nm的光信號的響應很低，而UV4紫外窗片增強了 CCD 探測器在200-340nm 波長范圍的響應。

InGaAs 線陣 成像探測器 (NIR256)
　　InGaAs 線性 成像探測器 在近紅外波長區域有著極高的靈敏度。探測器包括一個 CMOS 晶體管的電荷放大陣列，一個移位寄存器和一個時序產生模塊。 美國海洋光學公司有 兩種 InGaAs 探測器 供用戶選擇 ：
•  256像素致冷型InGaAs 探測器， 可用于 900-2500nm 波長 范圍。
•  512像素致冷型InGaAs 探測器， 可用于 900-1700nm 波長范圍。

•　靈敏度
　　探測器象元在某一特定波長處的靈敏度定義為照射到該象元上的單位輻射能量（光子）所產生的電信號強度。對于一個給定的 A/D 轉換卡來說可以理解為每毫焦耳入射光能量所產生的電子記數值。
　　入射到光譜儀中的光能量與照射到單個探測器象元上的光能量之間的關系主要取決于光譜儀光學平臺的結構設計，主要影響因素有光柵的效率、入射光纖或狹縫的尺寸、光學鏡片的性能、是否使用靈敏度增強透鏡等。對于一個給定配置的光譜儀能夠測量六、七十倍的光輻射級次。
　　
•　雜散光和二級衍射效應
1 ．雜散光
　　雜散光是錯誤波長（非對應信號光波長）的光輻射照射在探測器象元上所產生的信號，雜散光的來源是：
•  周圍環境光輻射；
•  光學元件缺陷所產生的散射光或非光學元件產生的反射光；
•  不同衍射級次間的重疊。
　　把光譜儀安裝在光密封的外殼內可以有效地消除周圍環境帶來的雜散光。
　　當光譜儀工作在探測極限時（微弱光探測），則來自于光學平臺、光柵、聚焦鏡的雜散光強度就決定了光譜儀的最終探測極限。大多數光柵都是全息型光柵，雜散光很低。雜散光的測試方法是用激光束照射到光譜儀上，然后測量遠離激光波長處象元的光強。另一種方法是用鹵鎢燈作為光源并配合長通或帶通濾光片進行測試。
　　美國海洋光學光譜儀典型的雜散光參數是 <0.05%@600nm; <0.1%@435nm; <0.1%@250nm 。
2 ．二級衍射效應
　　對于低線對數光柵（寬可測波長范圍）來說，往往會發生光柵的二級衍射光之間的重疊。這些高級次衍射光在大多數場合可以忽略不計，但在某些場合下則必須考慮。解決的方法就是把信號光限制在不可能出現級次重疊的光譜區。具體的方法可以通過在光譜儀入口的 SMA 接口處安裝一個長通濾光片或在探測器前面的保護窗鏡上鍍特殊膜層來實現。該保護窗所鍍的膜層通常是一個長通濾光片（ 590nm ）或兩個長通濾光片（ 350nm 和 550nm ），取決于所選擇的光柵型號及其光譜范圍。 

•　光譜儀平臺
　　美國海洋光學光譜儀系統擁有多種平臺，包括不同的電子系統、光學平臺和探測器。它是針對不同領域的應用而設計的，基于功能強大的微處理器系統，具有獨立工作的能力，多通道型光譜儀可以實現通道間同步讀出、IN/OUT數字控制信號和USB及RS232接口可以在有/無計算機環境下輕松使用。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

•　典型應用
　　　美國海洋光學光譜儀的應用領域非常廣泛，如農業、天文、汽車、生物、化學、鍍膜、色度計量、環境檢測、薄膜工業、食品、寶石檢測、LED檢測、印刷、造紙、喇曼光譜、半導體工業等。下面介紹一些典型應用。

1．顏色測量（詳情請點擊）--色度儀,色度計
　　一般來說，物體和濃稠液體的顏色測量可以使用不同的實驗布局，比如使用反射型光纖探頭或積分球。在該測量中，可以使用波長范圍在380到780nm，分辨率（FWHM）為5nm的光譜儀；此外，還需要白光連續光源和白色反射瓦。對于測量紡織品、紙張、水果、葡萄酒、鳥類羽毛顏色等不同的應用可以使用不同的光纖探頭。應用反射光譜的顏色測量的典型實驗布局如圖所示。
 

2．紫外/可見吸收光譜測量（詳情請點擊）
　液體的吸收率測量可以用不同的實驗布局和波長范圍來實現，如使用浸入型光纖探頭或流動樣品池進行在線吸收率測量，或使用樣品固定器進行樣品的吸收率測量。對于測量紫外/可見波長范圍的光譜儀，可以選擇波長范圍200-1100nm、分辨率1.4nm(FWHM)。此外還需要氘-鹵素燈作為光源。不同的應用可以選擇不同的光纖探頭。吸收率測量的典型實驗布局如圖所示。
 

3．發射光譜測量（詳情請點擊）
　　發射光譜測量可以用不同的實驗布局和波長范圍來實現，還要用到余弦校正器或積分球。發射光譜測量可以在紫外/可見和可見/近紅外波長范圍內測量。
對于發射光譜的絕對測量，光譜儀可以配置成波長范圍從200-400nm或350-1100nm，或組合起來實現紫外/可見200-1100nm，并可以在美國海洋光學公司的定標實驗室里進行輻射定標。定標后的實驗布局不能改變，如光纖和勻光器都不能更改。
為了使實驗布局更靈活，用可見/近紅外定標光源（LS-1-CAL）或紫外/可見/近紅外定標光源（DH2000-CAL）可以在用戶現場進行定標。功能強大的廣州標旗軟件可以完成定標并載入輻射定標數據。發射光譜測量的典型實驗布局如圖所示。
 

4．LED測量（詳情請點擊）
　　最簡單而且迅速地測量LED的整個光通量的方法就是使用一個積分球，并把它連接到一個美國海洋光學公司的光譜儀上。該系統可以用鹵素燈進行定標（LS-1-CAL-INT），然后用廣州標旗軟件從測量到的光譜分布計算出相關參數，并實現輻射量的絕對測量。所測光源的光譜發光強度還可以用μW/cm2/nm來計算、顯示并存儲。另外的窗口還可以顯示大約10個參數：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。LED測量的典型實驗布局如圖所示。
 

5．薄膜厚度測量（詳情請點擊）
　　美國海洋光學的膜厚測量系統基于白光干涉測量原理，可以測量的膜層厚度10nm-50μm，分辨率為1nm。薄膜測量在半導體晶片生長過程中經常被用到，因為等離子體刻蝕和淀積過程需要監控；其它應用如在金屬和玻璃材料基底上鍍透明光學膜層也需要測量膜層厚度。配套的廣州標旗應用軟件包括豐富的各種常用材料和膜層的n值和k值，可以實現膜層厚度的在線監測，并可以輸出到Excel文件進行過程控制。薄膜厚度測量的典型實驗布局如圖所示。
 

6．真空室鍍膜過程監控（詳情請點擊）
　　光纖光譜儀為真空室內鍍膜過程的監控提供了一種靈活的測量手段，它可以方便地把光引入并引出真空室或潔凈工作倉，同時選擇鍍膜過程分析所需要測量的參數。在實際的在線生產中，可以在工作倉中放置幾個探頭來檢測整個生產過程。圖示為真空室鍍膜過程監控的典型實驗布局。在這里一個反射型光纖探頭用來在線監測鍍膜過程。氘-鹵素燈發出的光被導入真空室并傳導到反射探頭上，反射光由反射探頭傳導到光譜儀中；也可以再增加一個通道作為參考測量來補償光源的波動。

 

7．氧濃度傳感器（詳情請點擊）
氧濃度傳感器包括一個光纖熒光探頭，探頭表面鍍有專利技術的膜層，并使用一個藍光LED作為激發源，還有一臺高靈敏度的微型光譜儀。該傳感器應用熒光技術測量氧的絕對含量，樣品產生的熒光反射回探測器上。當氣態或液態樣品中的氧擴散到探頭的膜層上時，就會使熒光猝滅，猝滅的程度與樣品中的氧的濃度是相關的。
　　廣州標旗應用軟件可以同時校正傳感器并監測氧的濃度。氧濃度測量的典型實驗布局如圖所示。
 

8．寶石成分檢測（詳情請點擊）
　　顏色是判斷鉆石成色的決定因素之一，天然鉆石和人造鉆石可以用波長范圍在400-750nm的光檢測出來。在天然Ia類鉆石的吸收譜中可以發現415nm和478nm的特征波長，而人造鉆石在該波長處則沒有吸收峰。人造鉆石中可以探測到592nm和741nm的波長。而且天然鉆石和人造鉆石的吸收峰幅值相差近10倍。當然其它寶石也可以用這種方法檢測，如紅寶石、紫翠玉、藍寶石等。寶石成分檢測的典型實驗布局如圖所示。
 

9．熒光測量（詳情請點擊）--熒光光譜儀系統
　　在許多應用領域如生物學（葉綠素和類胡蘿卜素）、生物醫學（惡性病的熒光診斷）和環境應用中都需要用到熒光檢測技術。熒光檢測通常需要高靈敏度光譜儀（積分時間大于5秒時選用QE65000）。在大多數應用中熒光能量僅為激發光能量的3%，波長要長于激發光，而且時散射光。在熒光測量系統中，一定要避免激發光進入到光譜儀中。熒光測量的典型實驗布局如圖所示。
 

10．生物醫學應用（詳情請點擊）
　　在過去的十年中，美國海洋光學公司幫助許多用戶進行了血成分分析的非侵入式和侵入式的光譜學測量手段，測量了許多重要的醫學指標，如組織和紋理中的氧濃度、血色素、細胞色素和水濃度等。非侵入式檢測系統包括微型光纖光譜儀、LS-1鹵鎢燈和反射型光纖探頭，而侵入式檢測系統則使用了一根植入于導管中的特殊的反射型光纖探頭。
　　在需要連續測量氧濃度、血色素的氧化和去氧化過程的醫學應用中，該系統得到了成功的應用。 生物醫學應用的典型實驗布局如圖所示。

 

11．拉曼光譜測量（詳情請點擊）
　　Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統是一臺高度集成化而且價格很低的系統，適用于需要拉曼測量的應用領域。Oceanoptics Raman拉曼系統包括半導體激光器，QE65000光纖光譜儀，和多種可選光纖探頭和廣州標旗Raman應用軟件。
　　Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統有量個基本型：1。低成本非冷卻型，分辨率25cm-1。2。高性能TE致冷型，分辨率10cm-1。
　　Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統特別適用于反應過程監控、產品識別、遙感，水溶液、凝膠體和其它介質中高散射粒子的判定。Oceanoptics Raman拉曼光譜儀系統的光源也可以選擇50mW或100mW的532nm固體綠光激光器、氬離子激光器或HeNe激光器。