光纤在近红外光谱分析技术中的应用

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1、光纤在近红外光谱分析技术中的应用廖延彪宣海锋张．敏赖淑蓉(清华大学电子系光纤传感实验室，北京100084)摘要介绍了光纤在红外光谱分析技术中的三个主要应用：(I)扩展用途。使已有的缸外光谱分析仪可用于远距离在线测量。(2)提高精度。例如，和现代激光技术、光电子技术结台构成新型高精度气体红外光谱分析仪。(3)推成出新。例如，光纤和滤光片结合构成微小型红外光谱分析戗，可用于在线测量。重点讨论了光纤光谱分析在油井下实时检测应用的新型高精度气体红外光谱分析仪。关键词光纤光学；近红外光谱；离散光谱法随着化学计量学方法和近红外光谱仪器的不断发展，近红外光谱分析技术的应用领域不断

2、扩大，已经成功应用于环境监测、化工检测、动物养殖监测、药物计量【11等领域。常用的红外光谱仪包括傅里叶变换近红外光谱仪，傅里叶变换红外光谱仪，傅里叶变换一拉曼光谱仪，这些大型光谱仪是研究物质成分的重要手段。但是对于环境和工业过程监测急需采用远程和在线分析测量，有的还要求探头尺寸小。这就给光纤传输技术在近红外光谱分析中的应用提供了发展的舞台[“。同时光纤工艺对近红外测量仪器整体结构的改进有很大的意义，比如在生物组织近红外分析中13,4J，光纤结构的近红外探头能很好地符合实际应用需求。现代光电子技术、激光技术和光纤技术的结合更使得近红外光谱测量水平有进一步的提高，比较典

3、型的为激光凋谐二次谐波法测量气体吸收精度比传统方式高好几个数量级博。J，可达到10“量级；近两年发展的基于有源内腔光谱监测技术可实现对气体的lO。9量级测量[8，9J。特种光纤技术可以使得一些特殊恶劣条件领域的近红外分析成为可能，例如实现石油井下流体的实时测量系统¨o川。光纤在红外光谱分析技术中的应用主要有三：(1)扩展用途。使已有的红外光谱分析仪可用于远距离在线测量。(2)提高精度。例如，和现代激光技术、光电子技术结合构成新型高精度气体红外光谱分析仪。(3)推成出新。例如，光纤和滤光片结合构成微小型红外光谱分析仪，可用于在线测量。1光纤在光谱分析仪中的应用之一(扩

4、展用途)光纤具有传统体光学结构所没有优势，光纤作为基本光学传输部件，用于红外光谱分析仪可使各类光谱分析系统功能大大扩展；结构更加灵活；且可用于实时、在线测量。1．1光纤输入输出的小型光谱仪最常见的现代小型光谱仪就应用了光纤输出输入结构。其内部分光系统大都用的是衍射作者简介：廖延彪，男，1935年出生，清华大学教授，博士生导师，中国光纤传感专业委员会主任，光学学会光电技术专业委员会常务理事。从事光纤传输和传感研究工作。E—md：lyb—dee@mail．t8ir咖幽．∞。170光栅，出射光采用线阵CCD接收，这样的结构可以避免扫谱结构，使得光谱分析仪的体积大为减小。另

5、外，由于采用光纤接口，光纤的内口径本身就是很好的均匀点源，使得光谱仪的结构设计更为简便。目前，在很多工业控制和现场测量中大量应用这种光纤输入输出的便携式光谱仪。比较典型的产品有美国OceanOptia公司的微型光谱仪．其分辨率可以达到0．06一，光学系统主要采用Czemy—Turner对称结构。此类微型光谱仪产品具有很小尺寸(手掌大小)，利用光纤作为输入输出单元，配合相应的光纤近红外探头结构使它可以方便地进行各类液体、甚至是气体的吸收谱测量。1．2光纤近红外光谱仪在远程检测中的应用普通通信用光纤在近红外波段损耗{硅小，波长1550nm处的最低损耗仅为0．2dB／km

6、。而且在几公里范围内对测量光谱特性的色散效应、非线性效应等不良影响都很微弱，对于常用的近红外光谱远程测量范围，可认为光纤是一种完美的传输通道。而且，光纤具有一般电子传输线所没有的特性：可以应用于强磁场、高腐蚀等恶劣环境。这些特性就决定了光纤必定成为远程近红外光谱分析技术的重要角色。如土壤中有毒有机物的在线检测-2J，远程气体检测¨i27·，利用光纤的远程传输特性就非常合适。而且利用现代的光学耦合技术，光学器件和光纤之间的耦合损耗可以做到非常小，如整体损耗可以控制在3dB之内。1．3近红外光纤探头在光谱分析的应用在实际测量中，光谱分析系统探头的结构非常关键。基于光纤结

7、构的近红外探头结构非常灵活。可按应用要求设计，以应用于食品检测112,13J、生物体医学检测【3’4]等领域。例如人体组织体液的pH值测定，人体组织pH值测量比血液pH值更能反映细胞的新陈代谢的情况，再如在输氧不足症状诊断中体液pH值更有代表性。体内组织的pH值可以通过近红外方法测量，近红外光在人体组织中可以传播几个厘米，利用光纤探针可以方便地在人体表面进行近红外光信号接受，’也可以插入式地直接在组织内部接受近红外光信号。从人体组织反射的光会被体液中的肌红蛋白和血红蛋白吸收，通过对吸收谱的分析，可以检测在不同状态下生物体的pH值。BabsR．S01Je^驯等对多