微型光纖光譜儀應(yīng)用1  引言

光譜儀器是應(yīng)用光學(xué)技術(shù),、電子技術(shù)及計算機技術(shù)對物質(zhì)的成分及結(jié)構(gòu)等進行分析和測量的基本設(shè)備,，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測,、工業(yè)控制,、化學(xué)分析,、食品品質(zhì)檢測,、材料分析,、臨床檢驗、航空航天遙感及科學(xué)教育等領(lǐng)域,。由于傳統(tǒng)的光譜儀存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、使用環(huán)境受限、不便攜帶及價格昂貴等不足,，不能滿足現(xiàn)場檢測和實時監(jiān)控的需求,。因此，微型光纖光譜儀成為光譜儀器發(fā)展的一個重要的研究方向,。近年來,，由于光纖技術(shù)、光柵技術(shù)及陣列式探測器技術(shù)的發(fā)展和成熟,，使得光譜檢測系統(tǒng)形成了光源,、采樣單元及攝譜單元相分離的結(jié)構(gòu)形式，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更具模塊化,，使用更加方便靈活,，從而使微型光纖光譜儀成為現(xiàn)場檢測和實時監(jiān)控的儀器。現(xiàn)以微型光纖光譜儀的 美國海洋光學(xué)的微型光纖光譜儀為例,，介紹微型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)及特點,，并且重點介紹其在實際檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用方案。

微型光纖光譜儀應(yīng)用微型光纖光譜儀結(jié)構(gòu)及特點

傳統(tǒng)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，需通過旋轉(zhuǎn)光柵對整個光譜進行掃描,，測量速度慢，并且對某些樣品還需經(jīng)過特定的預(yù)處理,，并要放在儀器的固定樣品室內(nèi)進行測量,。與此相比，微型光纖光譜儀有很多優(yōu)點,，如：速度快,、、體積小,、重量輕及全譜獲取,，而且通過光纖傳導(dǎo)可以脫離樣品室測量，適用于在線實時檢測,。

微型光纖光譜儀應(yīng)用 微型光纖光譜儀結(jié)構(gòu)

光譜儀微型化設(shè)計的實現(xiàn)得益于攝譜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,。光纖光譜儀生產(chǎn)商美國海洋光學(xué)的Michael J. Morris等人研制的USB系列微型光纖光譜儀使用非對稱交叉式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu),，此光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是在Czerny-Turner結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行光路的改進，使光譜儀內(nèi)部構(gòu)件布局更緊湊,，可進一步小型化(USB4000光譜儀僅為89.1 mm×63.3 mm×34.4mm),。

攝譜結(jié)構(gòu)光學(xué)平臺的優(yōu)化設(shè)計使微型光纖光譜儀內(nèi)部無移動部件，光學(xué)元件都采用反射形式,，可在一定程度上減少像差,，并使工作光譜范圍不受材料影響。微型光譜儀的固定化光學(xué)平臺適合于震動及窄空間等復(fù)雜的工作環(huán)境,。

微型光纖光譜儀應(yīng)用  微型光纖光譜儀特點

低損耗光纖,、率光柵及低噪聲高靈敏CCD陣列探測器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使微型光纖光譜儀在性能上有了很大的改進,，具有如下技術(shù)特點：

光纖傳導(dǎo)技術(shù)：光纖技術(shù)的發(fā)展,，使待測物脫離了固定樣品池的限制，采樣方式變得更加靈活,，適合于遠距離樣品品質(zhì)監(jiān)控,。由于光纖對光信號的傳輸作用，使得光譜儀可以遠離外界環(huán)境的干擾,，光譜儀的可靠運行,。

CCD陣列探測器技術(shù)：將經(jīng)光柵分光后的作用光在探測器上同時瞬間采集，而不必移動光柵,，因此樣品光譜采集速度及快(測量時間為3.8ms~10min),，并通過計算機實時輸出。

光柵技術(shù)：全息光柵具有較小的雜散光,，而機械刻劃光柵具有更高的反射率和靈敏度,。

計算機技術(shù)：電子計算技術(shù)的發(fā)展極大地提高了光譜儀的智能控制和處理能力。

方案

隨著測量系統(tǒng)的不斷拓展,，其快速分析及便攜式實時應(yīng)用的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來,，光譜分析技術(shù)正逐步從實驗室分析走向現(xiàn)場實時檢測。依據(jù)現(xiàn)階段實際應(yīng)用現(xiàn)狀,，微型光纖光譜儀在以下領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,。

3.1  透射吸收測量系統(tǒng)

透射吸收測量用于測定液體或氣體中介質(zhì)對作用光的吸收，依據(jù)比耳定律,，吸光度正比于摩爾吸收率,、光程和樣品介質(zhì)濃度。透射吸收測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-UV-VIS光譜儀,、DH2000-BAL光源、QP400-025-SR光纖,、CUV-UV樣品池,、CV-Q-10比色皿及電腦,。

3.2  反射測量系統(tǒng)

反射測量方式分為鏡面反射和漫反射測量，在實際測量中,，可以采用不同的參考白板和測量角度來進行區(qū)分,。反射測量用于測定樣品的化學(xué)成分及表面顏色相關(guān)信息。反射測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000光譜儀,、DH2000-BAL光源,、R400-7-UV-VIS反射探頭、RPH-1探頭支架,、標準參考板WS-1及電腦,。

3.3  發(fā)光二極管( LED)測量系統(tǒng)

LED測量系統(tǒng)用于LED光源的光譜強度及顏色指標測量。LED測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-VIS-NIR光譜儀,、FOIS-1積分球,、LS-1-CAL-INT校準光源、QP400-2-VIS-NIR光纖,、LED-PS電源及電腦,。

3.4  激光測量系統(tǒng)

根據(jù)激光光譜的特征，檢測系統(tǒng)配置高分辨率的HR4000微型光纖光譜儀,，同時可用積分球或余弦校正器來衰減入射光,，以避免CCD探測器的飽和。激光測量系統(tǒng)由以下部件組成：HR4000高分辨率光譜儀,、FOIS-1積分球,、QP400-2-VIS-NIR光纖及電腦。

3.5  熒光測量系統(tǒng)

熒光測量因其光譜信號特別弱,，因此需要一個高靈敏的探測器及一個率的濾光片,，將樣品激發(fā)出的微弱信號光和高強度的激發(fā)光區(qū)別開來。熒光測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀,、PX-2光源,、QP1000-2-UV-VIS光纖、LVF-HL線性可調(diào)濾光片,、CUV-ALL樣品池及電腦,。

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3.6  氧含量測量系統(tǒng)

氧含量是通過光纖探頭熒光團的熒光強度的衰減來進行測量，應(yīng)用熒光淬滅原理可以測量溶解氧或氣態(tài)氧的分壓,，從而探測出環(huán)境的氧含量,。氧含量測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀、USB-LS-450光源,、QBIF600-VIS-NIR光纖,、FOXY-R探頭、21-02光纖連接套管及電腦,。

3.7  拉曼光譜測量系統(tǒng)

拉曼光譜與紅外吸收光譜同為研究物質(zhì)的分子振動能級從而分析物質(zhì)的組成,，但相對于紅外吸收光譜,，拉曼光譜的譜線較為簡單且具有*性，而且被測物不需進行前處理,，因此在判斷物質(zhì)組成成分時有明顯的優(yōu)勢,。拉曼光譜測量系統(tǒng)特別適用于反應(yīng)過程監(jiān)控、產(chǎn)品識別,、遙感及介質(zhì)中高散射粒子的判定,。拉曼光譜測量系統(tǒng)由以下部件組成：QE65000高靈敏度光譜儀、785nm/532nm激發(fā)激光器,、RIP拉曼應(yīng)用光纖探頭及電腦,。

3.8  激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)測量系統(tǒng)

LIBS是一種用于固體、液體及氣體中進行實時,、定性及半定量的光譜元素分析技術(shù),，其工作原理是高強度的脈沖激光聚焦在樣品表面，脈寬為10ns的激光脈沖蒸發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體,，隨著等離子體的冷卻,，處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)射出元素的特征光譜，這個光譜被光纖探頭收集并傳送到光譜儀,，通過光譜分析軟件中預(yù)存的樣品特征光譜進行比對分析,。LIBS測量系統(tǒng)由以下部件組成：LIBS2500多通道高分辨率光譜儀、LIBS-BUN光纖束,、LIBS-LASER激光器,、LIBS-SC樣品室、LIBS-IM-USB圖像分析模塊及電腦,。

4  結(jié)論

微型光纖光譜儀具有系統(tǒng)模塊化和搭建靈活性的優(yōu)勢,，因此在實際生產(chǎn)研究中，僅需配一套光譜儀,，應(yīng)用不同的測試附件就可以對各種不同的樣品進行實時檢測,。同時，微型光纖光譜儀具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊,、無移動部件,，波長覆蓋范圍廣(175~1100nm或900~2500nm)，測量速度快(1ms~15min),，等特點,，在工業(yè)在線監(jiān)控及便攜式檢測系統(tǒng)集成開發(fā)等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。