光譜儀 | RP 系列激光分析設(shè)計軟件
一般來說，光譜儀是一種用于研究光、物質(zhì)或物體的波長相關(guān)特性的儀器；它的用途相當(dāng)廣泛： Aydpr _lp
· 光譜儀是一種可以在空間上分離光的光譜成分的儀器，單獨分析光譜成分——例如使用照相底片或外部光電探測器。所使用的分光測色儀通常是衍射光柵或棱鏡。 uPq@6,+
· 光譜儀通常還包含一些用于分析光強的光電探測器。包含大型探測器陣列的光譜儀可用于記錄光源的光譜，而且無需在光柵方向掃描。當(dāng)配備強度校準(zhǔn)時，此類設(shè)備更具體地稱為光譜輻射計。 Xs{PAS0
· 其他光學(xué)光譜儀用于分析物質(zhì)或物體的光譜特性，例如與波長相關(guān)的透射率或反射率。它們更具體地稱為分光光度計，并在化學(xué)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。使用包含一些窄線寬 可調(diào)諧激光器的激光光譜儀可以獲得特別高的光譜分辨率和高靈敏度。然而，這些通常只能覆蓋相當(dāng)有限的光譜區(qū)域。 [ Tl66Eyl
還有光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域之外的多種光譜儀，例如用于測量顆粒速度或顆粒尺寸分布的設(shè)備。然而，本文完全聚焦于對光進(jìn)行光譜分析的光譜儀。當(dāng)對物質(zhì)或物體的分析感興趣時，請參閱有關(guān)分光光度計的文章。 ]$u C~b
使用光譜儀進(jìn)行的測量通常會提供波長或頻率函數(shù)作為光的光功率譜密度(PSD) 。并非所有光譜儀都提供經(jīng)過校準(zhǔn)的 PSD；通常，強度讀數(shù)未經(jīng)校準(zhǔn)，而且對于波長來說可能與校準(zhǔn)因子（響應(yīng)度）有很大相關(guān)性。 hFo29oN
還有光譜相位干涉測量方法，不僅可以測量功率譜密度，還可以測量光譜相位。 *c\XQy
有些光譜儀也具有成像功能，稱為成像光譜儀。請參閱有關(guān)高光譜成像和多光譜成像的文章。 h'HI92; [
如果僅需要測量激光束的光譜線寬，而不需要測量詳細(xì)的光譜形狀，則可以使用其他方法，例如進(jìn)行自外差線寬測量。通過這種方法，人們可以測量非常小的線寬，其遠(yuǎn)低于典型光譜儀的分辨率。 hF{gN3v5
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光譜儀的類型 xG;;ykh.]
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基于衍射光柵或棱鏡的光譜儀 =w * 8
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大多數(shù)光譜儀都基于某種多色儀，即可以在空間上分離光的不同波長成分的裝置。通常，他們利用一個或多個衍射光柵上的波長相關(guān)衍射或一個或多個棱鏡上的波長相關(guān)折射。 EDz;6Z*4N
通常，入射光束在入射到光柵或棱鏡之前會被準(zhǔn)直（使其平行）。在色散元件之后，不同的波長分量沿差別不大的方向傳播。然后，光線可能會通過一些額外的光學(xué)器件，最后到達(dá)光電探測器。 }h sNsQ
為了獲得光譜儀（非掃描光譜儀），光電探測器可以是光電二極管陣列、CCD陣列或類似物，記錄某個空間范圍內(nèi)的強度，該空間范圍對應(yīng)于某個光譜間隔。人們可以通過將不同波長映射到探測器像素來直接獲得光譜。由于可以同時測量所有波長分量，因此數(shù)據(jù)采集相對較快。分辨率通常受到探測器像素密度的限制，或者可能受到光學(xué)設(shè)置的限制。通過使用插值來確定光譜峰值位置，它比根據(jù)像素間距有更好的精度。 Gy [anD E&
在掃描光譜儀中，檢測器可以是單個光電二極管或光電倍增管，放置在狹窄的光學(xué)狹縫之后，以便一次只有一個狹窄的波長間隔可以到達(dá)檢測器。然后，假設(shè)輸入的PSD在該時間期間保持恒定，則可以移動光柵或棱鏡的狹縫位置或角取向，使得可以掃描特定波長范圍。然后該裝置充當(dāng)可調(diào)單色器。圖1 顯示了切尼爾—特納光柵單色儀的常見設(shè)計。如果以高分辨率掃描寬光譜范圍，并且如果檢測器不能非常快，則全光譜的采集時間可能會很長，例如因為低光功率必須要求相當(dāng)長的平均時間。如果光源的屬性不穩(wěn)定，長的采集時間不僅會帶來不便，而且會成為一個麻煩的問題。 6J\ 2 =c`
[attachment=129584] 圖1:掃描光譜儀中使用的切尼爾—特納單色儀的設(shè)計，對于非掃描設(shè)備沒有出口狹縫（或更寬的狹縫）。 q9dplEe5
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通過入口狹縫的光被曲面反射鏡準(zhǔn)直，在衍射光柵處經(jīng)歷與波長相關(guān)的偏轉(zhuǎn)，然后再次被另一個曲面鏡聚焦。對于衍射光柵的一個方向，只有窄波長帶內(nèi)的光可以通過出口狹縫。（所示光線適用于該間隔內(nèi)的波長）整個裝置放置在一個盒子中，其中包含孔徑和黑色外殼，以最大限度地減少雜散光的影響。 kia[d984w
還有改進(jìn)的設(shè)計，例如交叉切尼爾—特納光譜儀，允許比展開版本更緊湊的設(shè)計。另一個版本基于凹面全息光柵，不涉及額外的曲面反射鏡。 $/lM %yXe
有些光柵光譜儀非常緊湊，寬度只有幾厘米。然而，最高的性能（特別是在分辨率和靈敏度方面）是通過更大的儀器獲得的。這種光譜儀達(dá)到的典型波長分辨率約為 0.01 nm 至 0.1 nm。 qw$9i.Z
根據(jù)所使用的光譜儀類型（例如光柵光譜儀），必須觀察各種細(xì)節(jié)： *;)O'|
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· 輸入光通常必須被發(fā)送到寬度可變的入口狹縫上。為了獲得最高的光譜分辨率，狹縫應(yīng)該變窄，但這會降低發(fā)射功率，因此可能導(dǎo)致噪聲增加或采集時間更長，特別是對于低亮度的光源。一些光譜儀具有光纖輸入，可以是多模光纖，也可以是單模光纖。多模光纖更容易收集光，而單模光纖則可實現(xiàn)最高的光譜儀性能。 =IW!ZN_
· 衍射光柵通常使用第一衍射級次，但有時使用更高的衍射級次以獲得更好的性能。無論是第幾衍射級次，都可能存在光與在其他衍射階次的偽影問題。如果發(fā)現(xiàn)難以解釋的光譜特征，可以檢查它們是否可能是此類偽影。 |gWA'O0S
· 光譜儀的響應(yīng)可能取決于偏振，因為光柵的衍射效率或棱鏡布置上的反射損耗與偏振相關(guān)。 &l0K~7)b
· 有些光譜儀必須由用戶校準(zhǔn)。對于波長校準(zhǔn)，可以使用某些放電燈，發(fā)射具有精確定義的波長分量的線光譜。整個波長間隔的響應(yīng)度校準(zhǔn)通常更加困難。一種方法是使用具有已知燈絲溫度或校準(zhǔn)光譜的白熾燈。 c xQAp
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干涉光譜儀 7~F Hn'xt
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使用各種類型的干涉光譜儀可以獲得高光譜分辨率，但僅在非常有限的光譜范圍內(nèi)： (6B ;
· 一些儀器基于法布里-珀羅干涉儀，其中鏡面間距被機械掃描，例如通過壓電線性促動器，同時記錄傳輸?shù)墓夤β��？捎霉庾V區(qū)間就是所謂的自由光譜范圍，由鏡距決定；這通常是 0.1 GHz 到 10 GHz 的量級，即以納米為單位。分辨率帶寬是自由光譜范圍除以精度，后者主要由鏡面反射率決定。鏡子之間的距離較大可以實現(xiàn)更高的性能，但也會導(dǎo)致自由光譜范圍變窄。 _
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· 傅里葉變換光譜儀包含一個邁克爾遜干涉儀，其中一個臂長可以在很長的距離（毫米、厘米甚至更遠(yuǎn)）上進(jìn)行機械掃描。在全臂長度掃描期間記錄的探測器信號與時間的關(guān)系必須進(jìn)行傅立葉變換才能獲得光譜。優(yōu)點是存在的高光譜分辨率，并且只需要單一的光電探測器。 Z1jxu;O(
· 一個簡化的版本是波長計，專門用于精確測量激光源的波長，而不是記錄完整的光譜。 ii_k gqT^
· 陣列波導(dǎo)光柵用于非常緊湊的光譜儀。它們基于小型波導(dǎo)裝置中的干涉效應(yīng)。 "AZ|u#0P
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基于傳播時間的色散光譜分析 sQ340!
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對于寬帶超短脈沖的頻譜分析原理可以實現(xiàn)完全不同的操作。人們可以簡單地通過一根長光纖發(fā)送這樣的脈沖，這會引入大量的色散，而且會導(dǎo)致不同光譜分量在光纖之后的到達(dá)時間不同：例如，原始脈沖持續(xù)時間遠(yuǎn)低于100 fs的脈沖可能會分散在幾個納秒內(nèi)。通過使用光電二極管和示波器分析該光，可以獲得光譜信息。當(dāng)然，我們應(yīng)該確保光學(xué)非線性效應(yīng)不會使結(jié)果無效；在光纖中，這極大限制了允許的峰值功率。 :A
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