光谱仪内部结构、原理与应用.pdf

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1、光谱仪内部结构、原理与应用前言本文旨在介绍各种光谱仪的特点、性能参数和应用范围，为读者学习、选购光谱仪提供参考。目前最常用的光谱仪有USB4000，HR4000，Maya2000和QE65000等型号，这些光谱仪的性能、特点、定位和应用各不相同。本将将从光谱仪的分类入手，解析光谱仪和光谱仪配件，光谱仪测试系统，光谱仪的配置与应用这几个方面。Ⅰ光谱仪的原理与分类本小节从不同的光谱仪分类入手，为您解析光谱仪的内部结构、原理和特性。1.USB2000+、USB4000微型光纤光谱仪1.1特点USB2000+和USB4000微型光纤光

2、谱仪是一个系列的产品，都仅有手掌大小，非常轻便（190克）；它们无需电源，可由计算机直接供电，使用方便。这两种光谱仪都具有较快的测量速度和精度，具有可编程微处理器，可以灵活地控制光谱仪和附件，在软件上完成各种操作，例如：控制外部光源、创建进程和程序、获取外部仪器的数据等。USB2000+和USB4000微型光纤光谱仪都采用模块化设计的光学平台，根据用户的需求定制组件，所有配置的组件在出厂前都完全固定，因此光谱仪平台内没有可以移动的部件，不会磨损或破裂，具有较高的可靠性。如果客户需求发生改变也可更换组件，但组件的更换必须通过海洋

3、光学的专业技术人员进行。USB4000和USB2000+相比具有更多的探测器像元（3648比2048）、更高的灵敏度、更好的信噪比，其数据处理和传输时间略长。1.2性能参数探测范围200~1100nm，光学分辨率0.3~10nm，积分时间加传输时间最快分别为2ms和8.8ms。1.3结构USB2000+和USB4000的光学平台结构如图1所示，其包括1、连接器，2、狭缝，3、长通滤光片，4、准直镜，5、光栅（确定波长范围），6、聚焦镜，7、探测器聚光透镜，8、探测器，9、OFLV消除高阶衍射滤光片（可选），10、升级为UV4探

4、测器（可选）。其中1~8为必备组件，光栅和准直镜有一些型号可供选择，9~10为可选组件，可根据实际需求选择采用或者不采用。下面对各个组件的作用进行逐一介绍：图1USB2000+和USB4000微型光纤光谱仪的光学平台结构1、连接器：固定光纤、滤波片、狭缝的相对位置，将光纤的信号光倒入光学平台，一般采用SMA905连接器。2、狭缝：控制进入光谱仪的光通量，宽度从5μm~200μm，有6种选择，高度固定为1mm。狭缝越窄光通量越少，光谱分辨率越高。（选择不同孔径的光纤也可起同样的作用）3、长通滤光片：安装在连接器中，消除短波长信号

5、光造成的倍频光，使测量的光谱分布更准确。滤光片有6种选择，分别为波长大于305、375、475、515、550、590nm能够通过的滤光片。4、准直镜：将入射光准直成一束平行光入射到光栅上，可选择普通铝准直镜或SAG+准直镜，SAG+透镜是海洋光学专利，其不同于其它普通镀银反射镜，不会氧化，其特点为吸收几乎所有的紫外光，增强可见到近红外波段的反射率（95%），能够增强测试的灵敏度，特别适用于荧光测量中消除激发光源对测试结果的影响。5、光栅：光栅在光谱仪中起色散作用，将不同颜色的光区分出来。光栅的选择是所有组件选择中最重要最关键

6、的部分，其直接决定光谱仪的光学分辨率和测试范围。USB2000+和USB4000共有14种光栅可选，根据客户的具体需求来选择合适的光栅。光栅有两种，分别是机械刻划光栅和闪耀光栅，刻划光栅的特点是反射率和灵敏度高、全息光栅的特点是杂散光小。每种光栅都有固定的刻线密度、光谱范围、闪耀波长、最有效波段。根据客户需求选择光栅时应弄清客户需要的光谱分辨率、光谱测试范围、最常用测试波长，选择分辨率能够满足客户要求、最有效波段涵盖光谱测试范围且闪耀波长最接近最常用测试波长的光栅，这样能够使所测量的光都有较高的衍射效率。同等条件下选择刻线密度

7、大的光栅能够得到更好的光学分辨率，在25μm狭缝的条件下，600线的光栅分辨率由于1.34nm，2400线的光栅分辨率优于0.29nm。6、聚焦镜：将光栅的一级衍射光线聚焦到探测器上。7、探测器聚光透镜：固定在探测器的窗片上，可提高信号光的采集效率。8、探测器：USB2000+和USB4000分别采用SonyILX511和ToshibaTCD1304APCCD探测器，它们分别对不同波长的信号光产生响应。9、OFLV消除高阶衍射滤光片（可选）：截止光栅的二级和三级衍射光。10、探测器升级：USB2000+和USB4000分别采用

8、UV2和UV4探测器，通常用于紫外光测量，选择升级后，探测器上的BK7窗片会被石英窗片取代。1.4预配置光谱仪海洋光学推荐了两种预配置好的紫外-可见和可见-近红外USB4000光谱仪平台，分贝采用闪耀波长为300nm和500nm的600线光栅，都采用25μm狭缝，它们的测量范