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微型光纤光谱仪基础知识

发布时间:2019-05-27 16:14人气:

  1. 什么是微型光纤光谱仪?

  光纤光谱仪是一种用于检测电磁谱中特定区域的光特性的仪器。它收集光,然后将其进行光谱色散,最后将光信号重构像为一系列的单色影像,从而对其进行检测。

  入射狭缝:是指将入射的光学信号构建成一个明确的物像;

  准直部分: 使光学信号的光线平行。该准直器可以为透镜、反射镜或色散元件的部分功能,如在凹面光栅光谱仪中的凹面光栅的部分功能;

  色散部分:通常采用光栅,将平行光在空间上进行色散;

  聚焦部分:收集色散的光学信号,使得大部分入射狭缝的单色影像聚焦于焦平面;

  阵列检测器:放置于焦平面,从而检测大部分单色影像的光强度。该检测器可以是CCD阵列或其它的光检测阵列。

  2. 如何评价光纤光谱仪性能?

  光纤光谱仪的性能可以用以下六个参数来体现:

  光谱覆盖范围:指的是光信号能被光纤光谱仪检测到的波长范围。

  光谱分辨率:能被光纤光谱仪分辨开的最小的波长差值,光谱分辨率与光谱仪的光谱覆盖范围、狭缝宽度、检测器的像元宽度及像元数密切相关。

  灵敏度:能被光纤光谱仪检测到的最小的光能量,它取决于光谱仪的光通量与检测器的光感应灵敏度。

  动态范围:可被光纤光谱仪测量到的最大与最小光能量的比值。

  信噪比:光纤光谱仪的信号能量水平与噪声水平的比值。

  光谱获取速度:在一定的入射光能量水平下,光纤光谱仪产生可测量到的信号并获得谱图所需的时间。

  对于光纤光谱仪来说,这六个参数是密切相关,互相影响的。

  3. 光谱覆盖范围

  光谱覆盖范围与光纤光谱仪的有效焦距、衍射光栅的刻线数、检测器的宽度密切相关。另外,光谱覆盖范围的中心波长的选择对光谱覆盖范围也有一定的影响。

  4. 信噪比

  信噪比指测得的信号与叠加在信号上的噪声的比值。

  信噪比与光纤光谱仪的检测器性能、电路噪声和光路杂散光相关。

  对于实际应用来说,光纤光谱仪的信噪比越高,其测量值的偏差就越小。

  5. 入射狭缝直接影响光纤光谱仪的分辨率和光通量

  光纤光谱仪的检测器最终检测到的是狭缝投射到检测器上的像,因此狭缝的大小直接影响到光谱仪的分辨率,狭缝越小,分辨率越高,狭缝越大,分辨率越低;另外狭缝是光进入光谱仪的门户,其大小也直接影响到光纤光谱仪的光通量。狭缝越大,光通量越大,狭缝越小,光通量越小。

  衍射光栅将从狭缝入射的光在空间上进行色散,使其光强度成为波长的函数。它是光纤光谱仪进行分光检测的基础,是光谱仪的核心部分。对于一个给定的光学平台和阵列式检测器,我们可以通过选择不同的衍射光栅来对光谱仪的光谱覆盖范围、光谱分辨率和杂散光水平进行额外的控制。

  检测器是光纤光谱仪的最核心部分,直接决定了光谱仪的光谱覆盖范围、灵敏度、分辨率及信噪比等指标。一般来说,检测器的材料决定了其光谱覆盖范围,硅基检测器其波长覆盖范围一般为190~1100nm,而InGaAs和PbS检测器覆盖900~2900nm的波长范围。而检测器的工作原理、制造方法及掺杂材料决定了其灵敏度、覆盖范围和信噪比等指标。

  6. 光谱获取速度

  光谱获取速度与光谱仪的灵敏度、光谱仪的读出速度及PC接口速度成正比。光纤光谱仪的读出速度主要与光谱仪内置A/D转换器相关,而PC接口速度是限制光谱获取速度的一个重要因素。

  7. 动态范围

  检测器阵列的动态范围常常用来作为衡量光纤光谱仪性能规格的参考。

  一般来说,检测器的动态范围越大,其所检测的光强度范围越大,光谱仪的信噪比与稳定性也就相对更好。

  注:不同的器件制造厂家具有对动态范围具有不同的定义。

  对于非科学级浅量阱的器件来说,常常使用饱和信号与暗噪声信号的比值来定义。

  对于科学级器件来说,则常常采用量阱深度与读出噪声的比值来定义。

  比值越大,动态范围越高,因此光谱仪性能也就越好。

  8. 决定光纤光谱仪的主要性能指标

  1.入射狭缝

  2. 衍射光栅

  3. 检测器


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