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2010.4.29 如何选择光纤光谱仪

光纤光谱仪基本配置包括一个光栅,一个狭缝,和一个探测器以及探测器的一些附件。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准,校准后的光纤光谱仪,原则上这些配件都不能有任何的变动。光纤光谱仪的光学结构是典型的非对称式Czerny-Turner(柴尔尼-特纳)结构,绝大部分的光纤光谱仪均采用以上结构。其中光栅前的第一个分光镜被称为准直镜,用于将发散的光束转为平行准直光,此镜片还可以减少光在入射时的杂散光。光栅后面为聚焦镜,用于将分散的光聚焦于探测器。

光栅

光栅的选择取决于光谱范围以及分辨率的要求。对于光纤光谱仪而言,光谱范围通常在200nm-2550nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围;同时分辨率要求越高,其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求,300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率,可以通过选择1200线/mm以上,甚至3600线/mm的光栅,或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。

另外现在光栅都是采用平面光栅,具有一定的闪耀波长,越靠近闪耀波长的波段,其衍射效率越高,因此在选择光栅时,除了考虑光栅的刻划线数,还要考虑工作的波长范围。

简言之,光栅的选择影响了三个方面的因素:光谱分辨率、光通量(灵敏度)、波长范围。

狭缝

较窄的狭缝可以提高分辨率,但光通量较小;另一方面,较宽的狭缝可以增加灵敏度,但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中,选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。通常狭缝的宽度不能太宽,在5um-200um之间,否则会产生干涉。标准的狭缝宽度选择25um的较多。

简言之,狭缝宽度的选择影响了光谱分辨率和光通量(灵敏度)。

探测器

针对光纤光谱仪,探测器选用比较多的为CCDPDAInGaAs。探测器在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度。探测器在单位面积上的像素数目越多,其分辨率越高,但由于像素较小,动态范围就会较差。探测器在单位面积上的像素数目越少,分辨率越低,但由于像素较大,动态范围就会较好。通常PDA的像素尺寸最大,因此动态范围最大,其次是CCD。针对不同的CCD的生产工艺,还将CCD探测器分为背感光和前感光两种类型,背感光的CCD量子效率可以达到90%以上,非常适合弱信号的探测。Si CCD的探测范围一般都在200-1100nm。

近红外的InGaAs探测器由于本身灵敏度较低,热噪声较高,采用制冷的方式可以有效降低探测器的热噪声,从而提高系统的信噪比。探测范围一般都在900-2550nm。

简言之,探测器的选择影响了光纤光谱仪的分辨率、灵敏度、探测波长及动态范围。

对于光纤光谱仪,除了以上最主要的三个可选器件外,还有包括滤光片、探测器附件、光纤、样品架、积分球等各种附件,应用于不同的系统中。

 

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