微型光譜儀為什么會獲得巨大的成功?不僅是因為光譜儀的小型化，而且是由于模塊化概念和光纖的使用。

所有的光譜應用系統(tǒng)都可以概括為三個組成部分：光譜儀、光源和采樣部件。

以前，我們搭建一個光譜應用系統(tǒng)時在在設計光路上要花費很多精力、時間和費用，如何將光照射到樣品上，如何收集從樣品發(fā)出的光，再將光有效地耦合到光譜儀中去？每個不同的應用都需要重新設計。

如果將光源、光譜儀、采樣部件都設計成具有標準光纖接口的模塊。我們只需要根據(jù)應用的需要，譬如工作的波長范圍，分辨率，選擇適合的光譜儀模塊、光源模塊和采樣部件模塊。然后用光纖將光從光源模塊引導到采樣部件模塊，再從采樣部件模塊的另一端引導到光譜儀(如圖所示)，光譜儀再將數(shù)字信號傳輸?shù)诫娔X。不同的應用只不過是更換不同的光源模塊、采樣模塊、光譜儀模塊，無需每次都要重新設計應用系統(tǒng)的光路，只需用光纖將這些模塊連接起來即可。由此可見光纖的重要作用。這就是為什么通常將微型光譜儀稱為微型光纖光譜儀。光纖的“柔韌可彎曲性”，帶來的另一個好處是可以將采樣探頭帶到許多難于抵達的或危險的待測點，實現(xiàn)遠程測量。

不僅如此，在作為核心的光譜儀模塊上，除了有光的接口以外，還有電的通信接口，除了把光譜數(shù)據(jù)輸出到電腦以外，電腦還可以向光譜儀下達各種操作和控制指令，設置光譜儀的工作條件，使光譜測量智能化。像孩子們可以用樂高積木模塊搭建出各種東西一樣，光纖將光譜儀模塊它和其它光源模塊，采樣模塊連接在一起，開啟了智能的光譜應用的“樂高”時代。電子工程師都熟知在“面包板”上，將各種電子器件連接成完成具備某種功能的系統(tǒng)，現(xiàn)在，我們可以用光纖將各種光學模塊連接成一個完整的光譜應用系統(tǒng)，這將引領一場技術革命。

模塊化的微型光譜儀應用系統(tǒng)

一、光譜儀模塊的選擇

光譜儀根據(jù)對響應波段、分辨率、靈敏度、信噪比等要求的不同，也會有不同的型號可供選擇。

對于主要進行近紅外光譜檢測的客戶來說，可以選擇裝配有InGaAs探測器的光譜儀，這種類型的探測器，對近紅外信號的響應，遠高于常規(guī)的硅基底探測器。

需要檢測微弱信號的客戶，可以選擇面陣探測器的光譜儀，這類探測器，配合相應的光路，可以收集更多的光子，從而提高儀器的靈敏度。

高分辨光譜儀，通常有著更大的光學平臺和較小的狹縫，能夠區(qū)分臨近的光譜峰位。

 高分辨率光譜儀

希望獲得更高信噪比的用戶，裝備有深度制冷型探測器的光譜儀會是一個好的選擇。

 高信噪比、制冷光譜儀

二、光源的選擇

光譜檢測四個字中“光”對于整個檢測而言，重要性不言而喻。一個模塊化光譜應用系統(tǒng)大體分為三個部分：光譜儀，光源和采樣附件，只需選擇對應的模塊，就可以實現(xiàn)吸光度、熒光、拉曼等檢測。

模塊化光譜儀的優(yōu)勢在于，減少搭建光譜應用系統(tǒng)的時間和費用，不再需要去考慮對于光路的設計，提高了使用的靈活度(使得測試應用不再局限于實驗室，在線工業(yè)環(huán)境、野外等也都能輕松駕馭)，只需要更多其他模塊就能實現(xiàn)其他的檢測方案。涉及光譜的多種檢測方式，如顏色檢測、熒光檢測、吸光度檢測和輻照檢測等，都需要在正確光源模塊的照射或激發(fā)下，通過對樣品發(fā)散出的光進行收集，并有效耦合到光譜儀中，才能實現(xiàn)一個完整的檢測。也就是說，沒有穩(wěn)定光源，整個應用系統(tǒng)的測量是無法完成。光譜儀廠商如何幫助用戶挑選到穩(wěn)定、合適的光源模塊滿足其檢測需求就顯得尤為重要。

不同檢測方式，決定了不同光源的挑選。根據(jù)不同波長，不同測量意圖與輸出形式作為參考標準，方便使用者進行選擇。

按照光源的波長進行分類主要分為UV、VIS、NIR波段，即可以分為紫外、可見、紅外波段的光源。這里主要針對測量應用目的：校準、激發(fā)和照明，對光源進行介紹。

2.1校準光源

使用氘鹵鎢燈可以實現(xiàn)在紫外-可見-近紅外波段為校準光譜儀系統(tǒng)的絕對響應提供最可靠的數(shù)據(jù)。結合相關的算法軟件，可以精準的確定在210-2400nm波長范圍內的光譜絕對強度值。而鹵鎢燈針對可見光與近紅外光譜儀，可覆蓋光譜范圍350-2400nm。

 氘鹵鎢燈

對于波長校準光源，汞氬燈適用于紫外-可見-近紅外區(qū)域光譜，可以產生253-922nm的一級汞氬譜線和到1700nm的二級氬透射譜線，從而能夠迅速可靠地實施光譜波長校準;氪燈、氙燈和氖燈適用于可見-近紅外區(qū)域光譜，分別能夠產生432-1785nm、452-1984nm、540-754nm范圍的透射譜線;氬燈是專為近紅外光譜儀設計的波長校準光源，通過產生696-1704nm的低壓氬透射譜線，對光譜儀進行波長校準。

 汞氬燈

2.2 激發(fā)光源：

使用高閃光頻率的脈沖氙燈作為激發(fā)光源，波長范圍185-2000nm，覆蓋了紫外-可見-近紅外波段，可應用于比如吸光度檢測，通過添加單波長濾光片可實現(xiàn)熒光檢測。

 脈沖氙燈

使用LED光源，可以高效耦合光纖，在連續(xù)或外部觸發(fā)模式下專有電子可提高穩(wěn)定的高電流操作，波長范圍為240-700nm，覆蓋了紫外-可見光波段，是熒光檢測的理想選擇。

 LED光源

使用氘鹵鎢燈是檢測不同光譜范圍具有多種特征樣品的理想選擇，可靈活分析不同樣品特性，波長范圍為210-2400nm，覆蓋了紫外-可見-近紅外波段，可應用于吸光度檢測，透反射檢測。

 氘鹵鎢燈

使用高功率激光光源，激發(fā)波長分為532、638、785和1064nm等多種波長，基于其多模二極管激光器產生窄光譜線，優(yōu)化了激光驅動器和熱電冷卻性能，其穩(wěn)定性和性能大大提升，可應用于拉曼檢測的激發(fā)光源。

 　　照明光源

氘鹵鎢燈光源，覆蓋了紫外-可見-近紅外波段，可應用于吸光度檢測，熒光檢測，透反射檢測。

LED光源，覆蓋了紫外-可見光波段，可應用于熒光檢測。

氙燈，可覆蓋紫外-可見光波段，可應用于吸光度檢測，熒光檢測和透反射檢測。

鹵鎢燈，覆蓋了可見-近紅外波段，波長范圍為360-2400nm，可應用于吸光度檢測，熒光檢測，透反射檢測。

 

 

三、采樣附件

采樣附件的作用包括：采集光譜信號或者激發(fā)能量，傳輸信號并與樣品互相作用。不同的應用，對應的采樣附件也有所不同。

吸光度測量：

a. 高濃度樣品：使用短光程的采樣池，提供250um，500um等短光程的比色皿及支架;

b. 低濃度樣品：比如針對低濃度的流動樣品，我們可以選擇使用長光程的采樣池，根據(jù)不同的樣品濃度還可以選配250cm，500cm等的不同光程；

 c. 同樣針對流動樣品的吸光度測試，Z形的樣品流通池是比較理想的選擇，同時根據(jù)測試液體的不同特性(比如腐蝕性較強、酸堿性較強等)、不同的使用環(huán)境(工業(yè)現(xiàn)場、實驗室等)，選擇不同材質及不同類型的流通池。

   

d. 如果環(huán)境溫度對測試樣品影像比較大，或者需要了解樣品在不同溫度下的性能差異，就需要采用控溫裝置對測量樣品進行恒溫或者變溫測試，那一個簡單的控溫裝置就能幫您解決問題。

氣體吸光度測量：White Cell

針對氣體的吸光度測量，可以選擇氣密性較好、易存儲氣體的樣品池，等等。

 反射測量：

a. 被測樣品狀態(tài)?液體?固體?

針對于不同的樣品狀態(tài),需要選擇不同的采樣裝置.例如:光滑的鏡面/平面固體,可以采用標準反射探頭和探頭支架進行反射率采集(如圖);

 

粉末狀或者顆粒狀的樣品可以放在托盤中使用旋轉方式采集平均反射光譜(如圖);

在一些行業(yè)標準要求下，也會選擇用積分球進行樣品采集(如圖);對于液體樣品，常用的方法是將探頭固定在靜止液面的上方。

b. 被測樣品是平面還是曲面?

對于平面樣品，通用的反射采樣裝置都可以直接使用，根據(jù)測樣探頭放置角度的不同，可測出漫反射或者鏡面反射;對于曲面樣品，常用的做法是采用顯微鏡進行固定單點檢測。在曲率不大的情況下，曲面反射率檢測也可以用曲面探頭支架(圖)對探頭進行固定，從而進行測量。

c. 測量鏡面反射還是漫反射?

樣品的反射率包括鏡面反射和漫反射。如果需要測量漫反射，通用的方法是采用積分球進行樣品反射光譜收集。

如果測量鏡面反射，可以使用一些固定角度的支架，如45°固定支架(圖)進行反射測量。

 

d. 是否需要變角度反射率測量?

大多數(shù)樣品進行反射率檢測時，都采用固定角度進行檢測，如90°，45°等。有一些特殊樣品如光子晶體，在不同角度進行測試時，反射光譜(或反射率)有明顯的變化，此時需要采用可調角度支架及光纖進行反射率測試。

e. 如何測出穩(wěn)定/準確的反射率?

測出穩(wěn)定/準確反射率需要注意三點：

1. 穩(wěn)定：測量支架穩(wěn)定，包括裝載探頭的支架本身是穩(wěn)定的，探頭(或其他采樣附件)到樣品的距離是穩(wěn)定的。在實驗室檢測中，可以選擇自重較重、有刻度、或者可以機械調節(jié)距離的支架來進行檢測(圖)

 

光源穩(wěn)定，通常選用鹵鎢燈光源(圖左)， 紫外測量選用氘鎢燈光源(圖右)

 

 

2. 選擇合適的參考標準

不同表面的樣品需要選擇不同的參考標準，這樣測出的反射才會更加準確。例如鏡面樣品，可選的參考標準為鋁鏡(左圖);拋光面金屬樣品或者無機材料，可以選擇硅片作為標準(中圖);粉末材料或者粗糙面樣品，可以選擇PTFE或者硫酸鋇作為標準(右圖)

更為精確的反射率測量，還可以選擇不同范圍的經過標定的材料作為反射標準，

熒光測量：

a. 什么類型的熒光測量?有機熒光?無機熒光?

對于有機熒光的激發(fā)，常用氙燈加濾光片來選擇激發(fā)波長(圖)，或者用激光器作為激發(fā)波長來源;

無機熒光可以選用LED光源作為激發(fā)光源(圖)，主要看樣品需要的激發(fā)波長的能量值高低。

b. 樣品是液體還是固體?

對于液體樣品，可以放置入比色皿內進行檢測，常用的方法是激發(fā)光與發(fā)射光接收呈90°，以避免激發(fā)光干擾(左圖);如果是在線熒光檢測，也可以選用熒光測量流通池(右圖)

 

對于固體樣品，可以采用探頭或者積分球的方式進行采樣，和測量反射率類似。為避免激發(fā)光干擾，可以在探頭或積分球連接光譜儀一端加上高通濾光片，將激發(fā)光屏蔽，如果是上轉換熒光檢測，則需要加低通濾光片。

輻射度測量：

a. 測量什么東西的輻射度?太陽?LED燈?普通光源?

戶外測量太陽輻照度，通常采用余弦校正器接在光纖前端進行測量(圖)，也有部分用戶使用積分球進行檢測，目的都是勻化被測光源，降低光纖晃動引起的測量干擾。

b. 檢測視場角要求是什么

一般光纖的數(shù)值孔徑是0.22，視場角大約是25°，余弦校正器可以接受180°，積分球通常認為是360°接收角。

在一些行業(yè)內，會有對輻射監(jiān)測視場角限定的要求。例如在海洋監(jiān)測領域，對海面反射太陽光/海水輻射的檢測會要求限定14°或其他角度進行監(jiān)測，此時可以用視場角限定片來固定光纖的接受角度(圖)

 （內容來源：海洋光學