光纖光譜儀

在上世紀九十年代以來，微電子領域中的多象元光學探測器（例如CCD，光電二極管陣列）製造技術迅猛發展，使生產低成本掃描儀和CCD相機成為可能。德國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器，可以對整個光譜進行快速掃描，不需要轉動光柵。

光纖光譜儀通常採用光纖作為信號耦合器件，將被測光耦合到光譜儀中進行光譜分析。由於光纖的方便性，用户可以非常靈活的搭建光譜採集系統。

光纖光譜儀的優勢在於測量系統的模塊化和靈活性。德國MUT的微型光纖光譜儀的測量速度非常快，可以用於在線分析。而且由於採用了低成本的通用探測器，降低了光譜儀的成本，從而也降低了整個測量系統的造價

光纖光譜儀基本配置包括包括一個光柵，一個狹縫，和一個探測器。這些部件的參數在選購光譜儀時必須詳細説明。光譜儀的性能取決於這些部件的精確組合與校準，校準後光纖光譜儀，原則上這些配件都不能有任何的變動。

目前，隨着光譜行業的快速發展，光纖光譜儀在國內越來越得到認可，其產品性能和質量方面跟國外產品相比幾乎差不多。

光柵的選擇取決於光譜範圍以及分辨率的要求。對於光纖光譜儀而言，光譜範圍通常在200nm-2500nm之間。由於要求比較高的分辨率就很難得到較寬的光譜範圍；同時分辨率要求越高，其光通量就會偏少。對於較低分辨率和較寬光譜範圍的要求，300線/mm的光柵是通常的選擇。如果要求比較高的光譜分辨率，可以通過選擇3600線/mm的光柵，或者選擇更多像素分辨率的探測器來實現。

較窄的狹縫可以提高分辨率，但光通量較小；另一方面，較寬的狹縫可以增加靈敏度，但會損失掉分辨率。在不同的應用要求中，選擇合適的狹縫寬度以便優化整個試驗結果。

探測器在某些方面決定了光纖光譜儀的分辨率和靈敏度，探測器上的光敏感區原則上是有限的，它被劃分為許多小像素用於高分辨率或劃分為較少但較大的像素用於高敏感度。通常背感光的CCD探測器靈敏度要更好一些，因此可以某個程度在不靈敏度的情況下獲得更好的分辨率。近紅外的InGaAs探測器由於本身靈敏度和熱噪聲較高，採用製冷的方式可以有效提高系統的信噪比。

由於光譜本身的多級衍射影響，採用濾光片可以降低多級衍射的干擾。和常規光譜儀不同的是，光纖光譜儀是在探測器上鍍膜實現，此部分功能在出廠時需要安裝就位。同時此鍍膜還具有抗反射的功能，提高系統的信噪比。

光譜儀的性能主要是由光譜範圍、光學分辨率和靈敏度來決定。對以上其中一項參數的變動通常將影響其它的參數的性能。

光譜儀主要的挑戰不是在製造時使所有的參數指標達到最高，而是使光譜儀的技術指標在這個三維空間選擇上滿足針對不同應用的性能需求。這一策略使光譜儀能夠滿足客户以最小的投資獲取最大的回報。這個立方體的大小取決於光譜儀所需要達到的技術指標，其大小與光譜儀的複雜程度以及光譜儀產品的價格相關。光譜儀產品應該完全符合客户所要求的技術參數。

光譜範圍較小的光譜儀通常能給出詳細的光譜信息，相反大範圍光譜範圍有更寬的視覺範圍。因此光譜儀的光譜範圍是必須明確指定重要的參數之一。

影響光譜範圍的因素主要是光柵和探測器，根據不同的要求來選擇相應的光柵和探測器。

説起靈敏度，重要的是要區分開光度學中的靈敏度（光譜儀所能探測到的最小信號強度）還是化學計量學中的靈敏度（光譜儀能夠測量到的最小吸收率差）。

a.光度靈敏度

對於如熒光和拉曼等需要高靈敏度光譜儀的應用，我們建議選擇採用熱電製冷型1024像素二維面陣CCD探測器的SEK熱電製冷型光纖光譜儀，而且還要選擇探測器聚光透鏡、金反射鏡、較寬的狹縫（100μm或者更寬），該型號可以採用長積分時間（從7毫秒到15分鐘）來提高信號強度，並可以降低噪聲和提高動態範圍。

b.化學計量靈敏度

為了能探測出兩個幅值很接近的吸收率數值，不但要求探測器的靈敏度高，還要求信噪比高。信噪比最高的探測器是SEK光譜儀中的熱電製冷型1024像素二維面陣CCD探測器，信噪比是1000：1。而通過多幅光譜圖平均也可以提高信噪比，平均次數的增加，會導致信噪比以平方根的速度提高，比如，100次平均可以10倍提高信噪比，達到10000：1了。

光學分辨率是衡量分光能力的重要參數。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。 ^[2]