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模塊化微型光譜儀應(yīng)用系統(tǒng)全解析

[2016/12/30]

    

微型光譜儀為什么會(huì)獲得巨大的成功?不僅是因?yàn)楣庾V儀的小型化，而且是由于模塊化概念和光纖的使用。

所有的光譜應(yīng)用系統(tǒng)都可以概括為三個(gè)組成部分：光譜儀、光源和采樣部件。

以前，我們搭建一個(gè)光譜應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)在在設(shè)計(jì)光路上要花費(fèi)很多精力、時(shí)間和費(fèi)用，如何將光照射到樣品上，如何收集從樣品發(fā)出的光，再將光有效地耦合到光譜儀中去？每個(gè)不同的應(yīng)用都需要重新設(shè)計(jì)。

如果將光源、光譜儀、采樣部件都設(shè)計(jì)成具有標(biāo)準(zhǔn)光纖接口的模塊。我們只需要根據(jù)應(yīng)用的需要，譬如工作的波長(zhǎng)范圍，分辨率，選擇適合的光譜儀模塊、光源模塊和采樣部件模塊。然后用光纖將光從光源模塊引導(dǎo)到采樣部件模塊，再?gòu)牟蓸硬考K的另一端引導(dǎo)到光譜儀(如圖所示)，光譜儀再將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)诫娔X。不同的應(yīng)用只不過(guò)是更換不同的光源模塊、采樣模塊、光譜儀模塊，無(wú)需每次都要重新設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的光路，只需用光纖將這些模塊連接起來(lái)即可。由此可見(jiàn)光纖的重要作用。這就是為什么通常將微型光譜儀稱為微型光纖光譜儀。光纖的“柔韌可彎曲性”，帶來(lái)的另一個(gè)好處是可以將采樣探頭帶到許多難于抵達(dá)的或危險(xiǎn)的待測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量。

不僅如此，在作為核心的光譜儀模塊上，除了有光的接口以外，還有電的通信接口，除了把光譜數(shù)據(jù)輸出到電腦以外，電腦還可以向光譜儀下達(dá)各種操作和控制指令，設(shè)置光譜儀的工作條件，使光譜測(cè)量智能化。像孩子們可以用樂(lè)高積木模塊搭建出各種東西一樣，光纖將光譜儀模塊它和其它光源模塊，采樣模塊連接在一起，開(kāi)啟了智能的光譜應(yīng)用的“樂(lè)高”時(shí)代。電子工程師都熟知在“面包板”上，將各種電子器件連接成完成具備某種功能的系統(tǒng)，現(xiàn)在，我們可以用光纖將各種光學(xué)模塊連接成一個(gè)完整的光譜應(yīng)用系統(tǒng)，這將引領(lǐng)一場(chǎng)技術(shù)革命。

模塊化的微型光譜儀應(yīng)用系統(tǒng)

一、光譜儀模塊的選擇

光譜儀根據(jù)對(duì)響應(yīng)波段、分辨率、靈敏度、信噪比等要求的不同，也會(huì)有不同的型號(hào)可供選擇。

對(duì)于主要進(jìn)行近紅外光譜檢測(cè)的客戶來(lái)說(shuō)，可以選擇裝配有InGaAs探測(cè)器的光譜儀，這種類型的探測(cè)器，對(duì)近紅外信號(hào)的響應(yīng)，遠(yuǎn)高于常規(guī)的硅基底探測(cè)器。


需要檢測(cè)微弱信號(hào)的客戶，可以選擇面陣探測(cè)器的光譜儀，這類探測(cè)器，配合相應(yīng)的光路，可以收集更多的光子，從而提高儀器的靈敏度。


高分辨光譜儀，通常有著更大的光學(xué)平臺(tái)和較小的狹縫，能夠區(qū)分臨近的光譜峰位。

 高分辨率光譜儀

希望獲得更高信噪比的用戶，裝備有深度制冷型探測(cè)器的光譜儀會(huì)是一個(gè)好的選擇。

 高信噪比、制冷光譜儀

二、光源的選擇

光譜檢測(cè)四個(gè)字中“光”對(duì)于整個(gè)檢測(cè)而言，重要性不言而喻。一個(gè)模塊化光譜應(yīng)用系統(tǒng)大體分為三個(gè)部分：光譜儀，光源和采樣附件，只需選擇對(duì)應(yīng)的模塊，就可以實(shí)現(xiàn)吸光度、熒光、拉曼等檢測(cè)。

模塊化光譜儀的優(yōu)勢(shì)在于，減少搭建光譜應(yīng)用系統(tǒng)的時(shí)間和費(fèi)用，不再需要去考慮對(duì)于光路的設(shè)計(jì)，提高了使用的靈活度(使得測(cè)試應(yīng)用不再局限于實(shí)驗(yàn)室，在線工業(yè)環(huán)境、野外等也都能輕松駕馭)，只需要更多其他模塊就能實(shí)現(xiàn)其他的檢測(cè)方案。涉及光譜的多種檢測(cè)方式，如顏色檢測(cè)、熒光檢測(cè)、吸光度檢測(cè)和輻照檢測(cè)等，都需要在正確光源模塊的照射或激發(fā)下，通過(guò)對(duì)樣品發(fā)散出的光進(jìn)行收集，并有效耦合到光譜儀中，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的檢測(cè)。也就是說(shuō)，沒(méi)有穩(wěn)定光源，整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的測(cè)量是無(wú)法完成。光譜儀廠商如何幫助用戶挑選到穩(wěn)定、合適的光源模塊滿足其檢測(cè)需求就顯得尤為重要。

不同檢測(cè)方式，決定了不同光源的挑選。根據(jù)不同波長(zhǎng)，不同測(cè)量意圖與輸出形式作為參考標(biāo)準(zhǔn)，方便使用者進(jìn)行選擇。

按照光源的波長(zhǎng)進(jìn)行分類主要分為UV、VIS、NIR波段，即可以分為紫外、可見(jiàn)、紅外波段的光源。這里主要針對(duì)測(cè)量應(yīng)用目的：校準(zhǔn)、激發(fā)和照明，對(duì)光源進(jìn)行介紹。

2.1校準(zhǔn)光源

使用氘鹵鎢燈可以實(shí)現(xiàn)在紫外-可見(jiàn)-近紅外波段為校準(zhǔn)光譜儀系統(tǒng)的絕對(duì)響應(yīng)提供最可靠的數(shù)據(jù)。結(jié)合相關(guān)的算法軟件，可以精準(zhǔn)的確定在210-2400nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜絕對(duì)強(qiáng)度值。而鹵鎢燈針對(duì)可見(jiàn)光與近紅外光譜儀，可覆蓋光譜范圍350-2400nm。

 氘鹵鎢燈

對(duì)于波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源，汞氬燈適用于紫外-可見(jiàn)-近紅外區(qū)域光譜，可以產(chǎn)生253-922nm的一級(jí)汞氬譜線和到1700nm的二級(jí)氬透射譜線，從而能夠迅速可靠地實(shí)施光譜波長(zhǎng)校準(zhǔn);氪燈、氙燈和氖燈適用于可見(jiàn)-近紅外區(qū)域光譜，分別能夠產(chǎn)生432-1785nm、452-1984nm、540-754nm范圍的透射譜線;氬燈是專為近紅外光譜儀設(shè)計(jì)的波長(zhǎng)校準(zhǔn)光源，通過(guò)產(chǎn)生696-1704nm的低壓氬透射譜線，對(duì)光譜儀進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)。

 汞氬燈

2.2 激發(fā)光源：

使用高閃光頻率的脈沖氙燈作為激發(fā)光源，波長(zhǎng)范圍185-2000nm，覆蓋了紫外-可見(jiàn)-近紅外波段，可應(yīng)用于比如吸光度檢測(cè)，通過(guò)添加單波長(zhǎng)濾光片可實(shí)現(xiàn)熒光檢測(cè)。

 脈沖氙燈

使用LED光源，可以高效耦合光纖，在連續(xù)或外部觸發(fā)模式下專有電子可提高穩(wěn)定的高電流操作，波長(zhǎng)范圍為240-700nm，覆蓋了紫外-可見(jiàn)光波段，是熒光檢測(cè)的理想選擇。

 LED光源

使用氘鹵鎢燈是檢測(cè)不同光譜范圍具有多種特征樣品的理想選擇，可靈活分析不同樣品特性，波長(zhǎng)范圍為210-2400nm，覆蓋了紫外-可見(jiàn)-近紅外波段，可應(yīng)用于吸光度檢測(cè)，透反射檢測(cè)。

 氘鹵鎢燈

使用高功率激光光源，激發(fā)波長(zhǎng)分為532、638、785和1064nm等多種波長(zhǎng)，基于其多模二極管激光器產(chǎn)生窄光譜線，優(yōu)化了激光驅(qū)動(dòng)器和熱電冷卻性能，其穩(wěn)定性和性能大大提升，可應(yīng)用于拉曼檢測(cè)的激發(fā)光源。

 　　照明光源

氘鹵鎢燈光源，覆蓋了紫外-可見(jiàn)-近紅外波段，可應(yīng)用于吸光度檢測(cè)，熒光檢測(cè)，透反射檢測(cè)。

LED光源，覆蓋了紫外-可見(jiàn)光波段，可應(yīng)用于熒光檢測(cè)。

氙燈，可覆蓋紫外-可見(jiàn)光波段，可應(yīng)用于吸光度檢測(cè)，熒光檢測(cè)和透反射檢測(cè)。

鹵鎢燈，覆蓋了可見(jiàn)-近紅外波段，波長(zhǎng)范圍為360-2400nm，可應(yīng)用于吸光度檢測(cè)，熒光檢測(cè)，透反射檢測(cè)。

 

 

三、采樣附件

采樣附件的作用包括：采集光譜信號(hào)或者激發(fā)能量，傳輸信號(hào)并與樣品互相作用。不同的應(yīng)用，對(duì)應(yīng)的采樣附件也有所不同。

吸光度測(cè)量：

a. 高濃度樣品：使用短光程的采樣池，提供250um，500um等短光程的比色皿及支架;

b. 低濃度樣品：比如針對(duì)低濃度的流動(dòng)樣品，我們可以選擇使用長(zhǎng)光程的采樣池，根據(jù)不同的樣品濃度還可以選配250cm，500cm等的不同光程；

 c. 同樣針對(duì)流動(dòng)樣品的吸光度測(cè)試，Z形的樣品流通池是比較理想的選擇，同時(shí)根據(jù)測(cè)試液體的不同特性(比如腐蝕性較強(qiáng)、酸堿性較強(qiáng)等)、不同的使用環(huán)境(工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室等)，選擇不同材質(zhì)及不同類型的流通池。

   

d. 如果環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試樣品影像比較大，或者需要了解樣品在不同溫度下的性能差異，就需要采用控溫裝置對(duì)測(cè)量樣品進(jìn)行恒溫或者變溫測(cè)試，那一個(gè)簡(jiǎn)單的控溫裝置就能幫您解決問(wèn)題。

氣體吸光度測(cè)量：White Cell

針對(duì)氣體的吸光度測(cè)量，可以選擇氣密性較好、易存儲(chǔ)氣體的樣品池，等等。

 反射測(cè)量：

a. 被測(cè)樣品狀態(tài)?液體?固體?

針對(duì)于不同的樣品狀態(tài),需要選擇不同的采樣裝置.例如:光滑的鏡面/平面固體,可以采用標(biāo)準(zhǔn)反射探頭和探頭支架進(jìn)行反射率采集(如圖);

 

粉末狀或者顆粒狀的樣品可以放在托盤中使用旋轉(zhuǎn)方式采集平均反射光譜(如圖);

在一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求下，也會(huì)選擇用積分球進(jìn)行樣品采集(如圖);對(duì)于液體樣品，常用的方法是將探頭固定在靜止液面的上方。

b. 被測(cè)樣品是平面還是曲面?

對(duì)于平面樣品，通用的反射采樣裝置都可以直接使用，根據(jù)測(cè)樣探頭放置角度的不同，可測(cè)出漫反射或者鏡面反射;對(duì)于曲面樣品，常用的做法是采用顯微鏡進(jìn)行固定單點(diǎn)檢測(cè)。在曲率不大的情況下，曲面反射率檢測(cè)也可以用曲面探頭支架(圖)對(duì)探頭進(jìn)行固定，從而進(jìn)行測(cè)量。

c. 測(cè)量鏡面反射還是漫反射?

樣品的反射率包括鏡面反射和漫反射。如果需要測(cè)量漫反射，通用的方法是采用積分球進(jìn)行樣品反射光譜收集。

如果測(cè)量鏡面反射，可以使用一些固定角度的支架，如45°固定支架(圖)進(jìn)行反射測(cè)量。

 

d. 是否需要變角度反射率測(cè)量?

大多數(shù)樣品進(jìn)行反射率檢測(cè)時(shí)，都采用固定角度進(jìn)行檢測(cè)，如90°，45°等。有一些特殊樣品如光子晶體，在不同角度進(jìn)行測(cè)試時(shí)，反射光譜(或反射率)有明顯的變化，此時(shí)需要采用可調(diào)角度支架及光纖進(jìn)行反射率測(cè)試。

e. 如何測(cè)出穩(wěn)定/準(zhǔn)確的反射率?

測(cè)出穩(wěn)定/準(zhǔn)確反射率需要注意三點(diǎn)：

1. 穩(wěn)定：測(cè)量支架穩(wěn)定，包括裝載探頭的支架本身是穩(wěn)定的，探頭(或其他采樣附件)到樣品的距離是穩(wěn)定的。在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)中，可以選擇自重較重、有刻度、或者可以機(jī)械調(diào)節(jié)距離的支架來(lái)進(jìn)行檢測(cè)(圖)

 

光源穩(wěn)定，通常選用鹵鎢燈光源(圖左)， 紫外測(cè)量選用氘鎢燈光源(圖右)

 

 

2. 選擇合適的參考標(biāo)準(zhǔn)

不同表面的樣品需要選擇不同的參考標(biāo)準(zhǔn)，這樣測(cè)出的反射才會(huì)更加準(zhǔn)確。例如鏡面樣品，可選的參考標(biāo)準(zhǔn)為鋁鏡(左圖);拋光面金屬樣品或者無(wú)機(jī)材料，可以選擇硅片作為標(biāo)準(zhǔn)(中圖);粉末材料或者粗糙面樣品，可以選擇PTFE或者硫酸鋇作為標(biāo)準(zhǔn)(右圖)

更為精確的反射率測(cè)量，還可以選擇不同范圍的經(jīng)過(guò)標(biāo)定的材料作為反射標(biāo)準(zhǔn)，

熒光測(cè)量：

a. 什么類型的熒光測(cè)量?有機(jī)熒光?無(wú)機(jī)熒光?

對(duì)于有機(jī)熒光的激發(fā)，常用氙燈加濾光片來(lái)選擇激發(fā)波長(zhǎng)(圖)，或者用激光器作為激發(fā)波長(zhǎng)來(lái)源;

無(wú)機(jī)熒光可以選用LED光源作為激發(fā)光源(圖)，主要看樣品需要的激發(fā)波長(zhǎng)的能量值高低。

b. 樣品是液體還是固體?

對(duì)于液體樣品，可以放置入比色皿內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，常用的方法是激發(fā)光與發(fā)射光接收呈90°，以避免激發(fā)光干擾(左圖);如果是在線熒光檢測(cè)，也可以選用熒光測(cè)量流通池(右圖)

 

對(duì)于固體樣品，可以采用探頭或者積分球的方式進(jìn)行采樣，和測(cè)量反射率類似。為避免激發(fā)光干擾，可以在探頭或積分球連接光譜儀一端加上高通濾光片，將激發(fā)光屏蔽，如果是上轉(zhuǎn)換熒光檢測(cè)，則需要加低通濾光片。

輻射度測(cè)量：

a. 測(cè)量什么東西的輻射度?太陽(yáng)?LED燈?普通光源?

戶外測(cè)量太陽(yáng)輻照度，通常采用余弦校正器接在光纖前端進(jìn)行測(cè)量(圖)，也有部分用戶使用積分球進(jìn)行檢測(cè)，目的都是勻化被測(cè)光源，降低光纖晃動(dòng)引起的測(cè)量干擾。

b. 檢測(cè)視場(chǎng)角要求是什么

一般光纖的數(shù)值孔徑是0.22，視場(chǎng)角大約是25°，余弦校正器可以接受180°，積分球通常認(rèn)為是360°接收角。

在一些行業(yè)內(nèi)，會(huì)有對(duì)輻射監(jiān)測(cè)視場(chǎng)角限定的要求。例如在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，對(duì)海面反射太陽(yáng)光/海水輻射的檢測(cè)會(huì)要求限定14°或其他角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，此時(shí)可以用視場(chǎng)角限定片來(lái)固定光纖的接受角度(圖)

 （內(nèi)容來(lái)源：海洋光學(xué)