微小型光纤光谱仪
张志伟
(北京晨辉日升光电技术有限公司)
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光谱学是测量紫外、可见、近红外、红外波段光强度的一种技术。光谱测量的应用范围非常广泛,如颜色测量、化学成份的浓度测量、电磁辐射分析。
光谱仪器一般都包括入射狭缝、准直镜、色散元件(光栅或棱镜)、聚焦光学系统和探测器。在单色仪中还要加上出射狭缝,让整个光谱中一个很窄的部分照射到单象元探测器上。单色仪中的入射和出射狭缝往往位置固定而宽度可调,通过旋转光栅来对整个光谱进行扫描。
在九十年代,微电子领域中的多象元光学探测器迅猛发展,如CCD阵列、光电二极管阵列等,使生产低成本扫描仪和CCD相机成为可能。荷兰Avantes的光谱仪使用了同样的CCD和光电二极管阵列探测器,可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅。
由于通信技术对光纤的需求大大增长,从而开发了低损耗的石英光纤。该光纤同样可以用于光谱仪中,把样品产生的信号光传导到光谱仪的光学平台中。由于光纤的耦合非常容易,所以很方便地搭建起由光源、取样附件和光纤光谱仪组成的测量系统。
光纤光谱仪的优点在于系统的模块化和灵活性。荷兰Avantes公司的微小型光纤光谱仪的测量速度非常快,使得它可以用于在线分析。而且由于它选用低成本的通用探测器,所以光谱仪的成本也大大降低,从而大大扩展了它的应用领域。
· 光学平台设计
该公司的AvaSpec系列光谱仪采用对称式Czerny-Turner光学平台设计,焦距有45mm和75mm两种。信号光由一个标准的SMA905接口进入光学平台,经一个球面镜准直,然后由一块平面光栅分光,经由第二块球面镜聚焦到一块一维线性探测器阵列上。

图1 AvaSpec光学平台设计图
光学平台内包括很多元件,可以根据不同的应用选择不同的配置。这些元件的选择对光谱仪的参数影响非常大,如衍射光栅、入射狭缝、消二级衍射效应滤光片和探测器镀膜等。
· 如何选择合适的光栅?
衍射光栅是一种把入射的多色光分解成它所包括的波长光谱的光学元件。光栅是由在镀膜的基底材料上刻划出一道道等宽等间距的平行凹槽制成的。
光纤光谱仪的光栅要由用户指定,永久安装在光谱仪中,这样就需要用户说明要使用的波长范围。有时光栅的可用光谱范围要大于照射到探测器上的光谱范围,这时为了覆盖更宽的光谱范围,可选择具有不同光栅的双光路或多光路光谱仪。同样,为了在更宽的光谱范围内实现更高的分辨率,也可以选择双光路或多光路光谱仪。
表1是AvaSpec-2048光谱仪的光栅选择和波长范围表。波长范围取决于光栅的起始波长和光栅线对数。波长越长则色散效应越大,可选择的波长范围越小。
表1 AvaSpec-2048光谱仪的光栅选择和波长范围表
| 应用范围 |
可用波长范围(nm) |
实际光谱范围(nm) |
光栅线对数(线/mm) |
闪耀波长(nm) |
光栅型号 |
| UV/VIS/NIR |
200-1100 |
900 |
300 |
300 |
UA |
| UV/VIS |
200-850 |
520 |
600 |
250 |
UB |
| UV |
200-750 |
250-220* |
1200 |
250 |
UC |
| UV |
200-650 |
165-145* |
1800 |
250 |
UD |
| UV |
200-580 |
115-70* |
2400 |
250 |
UE |
| UV |
220-400 |
75-50* |
3600 |
250 |
UF |
| UV/VIS |
250-850 |
520 |
600 |
370 |
BB |
| VIS/NIR |
300-1100 |
800 |
300 |
500 |
VA |
| VIS |
360-1000 |
500 |
600 |
500 |
VB |
| VIS |
300-800 |
250-200* |
1200 |
500 |
VC |
| VIS |
350-750 |
145-100* |
1800 |
500 |
VD |
| NIR |
500-1050 |
500 |
600 |
750 |
NB |
| NIR |
500-1050 |
220-150* |
1200 |
630 |
NC |
| NIR |
600-1100 |
500 |
300 |
1000 |
IA |
| NIR |
600-1100 |
500 |
600 |
1000 |
IB |
*注:取决于光栅的起始波长;波长越长,光栅色散越大,实际光谱范围越小
·如何选择最优的光学分辨率?
光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。因为光栅决定了波长在探测器上可分开的程度(色散),这对于分辨率来说是一个非常重要的变量。
另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度,它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径(当没有安装狭缝时)。狭缝的尺寸有:10,25或50μm×1000μm(高)或100,200或500μm×2000μm(高)。在指定波长处,狭缝成象到探测器阵列上时会覆盖几个象元。而如果要分开两条光谱线,就必须把它们色散到这个象尺寸加上一个象元。当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时,分辨率就要由狭缝的宽度(有效宽度)来决定。
表2 AvaSpec-2048的分辨率(半宽度nm)
| 狭缝宽度(μm) |
| 光栅(线/mm) |
10 |
25 |
50 |
100 |
200 |
500 |
| 300 |
0.8 |
1.4 |
2.4 |
4.3 |
8.0 |
20.0 |
| 600 |
0.4 |
0.7 |
1.2 |
2.1 |
4.1 |
10.0 |
| 1200 |
0.1-0.2* |
0.2-0.3* |
0.4-0.6* |
0.7-1.0* |
1.4-2.0* |
3.3-4.8* |
| 1800 |
0.07-0.12* |
0.12-0.21* |
0.2-0.36* |
0.4-0.7* |
0.7-1.4* |
1.7-3.3* |
| 2400 |
0.05-0.09* |
0.08-0.15* |
0.14-0.25* |
0.3-0.5* |
0.5-0.9* |
1.2-2.2* |
| 3600 |
0.04-0.06* |
0.07-0.10* |
0.11-0.16* |
0.2-0.3* |
0.4-0.6* |
0.9-1.4* |
*注:取决于光栅的起始波长;波长越长,光栅色散越大,分辨率越高
所选光栅和入射光束的有效宽度(光纤芯径或入射狭缝)对分辨率的影响如表2所示。对高线对数光栅来说,色散效应是随着波长范围变化的,波长越长色散效应越大。因此在最长的波长处会得到最高的分辨率。表2中的分辨率的定义是最大峰值光强50%处所对应的探测器宽度FWHM(nm)。

图2 半宽度的定义
·探测器
AvaSpec光谱仪有多种探测器,目前在200-1100nm波长范围内我们提供CCD、CMOS和光电二极管阵列,在NIR范围则使用InGaAs阵列。
1.CCD探测器(AvaSpec-2048)
CCD探测器中储存着电荷,而当光子打到光敏面时电荷就会被释放。在积分时间的结尾,剩余的电荷就会传送到缓冲器中,然后这个信号被传送到A/D转换卡。
CCD探测器的优点是象元数多(2048)、灵敏度高、响应速度快;缺点是信噪比低。
对于波长小于350nm的应用,AvaSpec-2048提供两个特殊的探测器镀膜供用户选择——UV或DUV。未镀膜的CCD探测器对波长小于350nm的光信号的响应很低,DUV镀膜增强了探测器在150-350nm的响应,UV镀膜增强了探测器在200-350nm的响应。再可见光范围内UV镀膜的整体效率要高于DUV镀膜的效率(图3)。DUV镀膜的弛豫时间很短(纳秒量级),因此非常适合于如激光感生荧光光谱的快触发应用。UV镀膜的弛豫时间则要长的多(几百个微秒)。

图3 探测器光谱灵敏度曲线
2. 光电二极管阵列
一个硅光电二极管阵列是一个由多个二极管单元(象素)组成的阵列,单元数可以是102,256或1024。当信号光照射到光电二极管上时,光信号就会转换成电信号。大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。
光电二极管的优点是在近红外灵敏度高,响应速度快;缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。
3. CMOS线性成象传感器
所谓的CMOS线性成象传感器比CCD阵列传感器具有较低的电荷-电压转换效率,因此具有较低的光灵敏度,但是却具有较高的信噪比。CMOS的内部电路中有箝位电路,可以把噪声抑制到一个很低的水平。
CMOS探测器的优点是信噪比高、紫外波段灵敏度高;缺点是读出速率低、灵敏度低、成本相对较高(1024个象元)。
4.灵敏度
探测器象元再特定波长处的灵敏度定义为照射到该象元上的单位辐射度所产生的电信号输出。对于一个给定的A/D转换卡来说可以理解为每毫焦耳入射光能量所产生的记数。而入射到光谱仪中的信号光能量与照射到单个探测器象元上的光能量之间的关系则主要取决于光谱仪光学平台的结构设计,主要影响因素有光栅的效率、入射光栅或狭缝的尺寸、光学镜片的性能、是否使用探测器集光透镜等。一个固定配置的光谱仪可以测量的动态范围可以高达六、七十倍。表3给出了一些标准探测器的参数。作为可选项的探测器集光透镜(DCL)可以直接安装在探测器阵列上。这个石英透镜(如用于AvaSpec-2048的DCL-UV)可以把系统的灵敏度提高3-5倍(取决于所用的光纤芯径)。
表3中的灵敏度是针对目前AvaSpec光谱仪使用的探测器,单位是每毫秒积分时间内记数。为了对比不同探测器阵列,我们假设光谱仪都采用600线/毫米的光栅,而且不加DCL。光谱仪都选用8微米芯径的光纤,并连接到标准的AvaLight-HAL卤素灯上。
表3 探测器参数表
| 探测器 |
TAOS102 |
HAM256 |
HAM1024 |
SONY2048 |
| 类型 |
光电二极管阵列 |
CMOS线性阵列 |
CMOS线性阵列 |
CCD线性阵列 |
| 象元数,间距 |
102,85μm |
256,25μm |
1024,25μm |
2048,14μm |
| 象元宽度/高度 |
77×85μm |
25×500μm |
25×500μm |
14×56μm |
| 灵敏度(AvaLight-HAL,8μm光纤,
每ms积分时间内的记数) |
1000
(AvaSpec-102) |
30
(AvaSpec-256) |
30
(AvaSpec-1024) |
5000
(AvaSpec-2048) |
| 峰值波长 |
750nm |
500nm |
500nm |
500nm |
| 信噪比 |
1000:1 |
2000:1 |
2000:1 |
250:1 |
| 暗噪声 |
15个记数 |
7个记数 |
11个记数 |
10个记数 |
| 波长范围 |
360-1100nm |
200-1100nm |
200-1100nm |
200-1100nm |
| 频率 |
2MHz |
330kHz |
330kHz |
2MHz |
· 杂散光和二级衍射效应
杂散光是非信号波长的光辐射照射在探测器象元上产生的误差信号,杂散光的来源是:
· 周围环境光辐射;
· 非完美光学元件所产生的散射光或非光学元件产生的反射光;
· 不同衍射级次间的重叠;
把光谱仪安装在光密封的外壳内可以有效地消除周围环境带来的杂散光。
当光谱仪工作在探测极限时(微弱光探测),来自于光谱仪内部和光栅、聚焦镜的杂散光就决定了光谱仪的最终探测极限。AvaSpec光谱仪典型的杂散光参数是<0.05%@600nm;
<0.1%@435nm; <0.1%@250nm。
对于低线对数光栅(宽可测波长范围)来说,往往辉发生光栅的二级衍射光之间的重叠。消除的方法可以通过在光谱仪入射SMA接口处安装一个长带通滤光片或在HAM1024或SONY2048探测器上镀特殊膜来实现。
· 光谱仪平台
AvaSpec光谱仪系统拥有多种平台,包括不同的电子系统、光学平台和探测器。它是针对不同领域的应用而设计的,基于功能强大的微处理器系统,具有独立工作的能力,多通道型光谱仪可以实现通道间同步读出、IN/OUT数字控制信号和USB及RS232接口可以在有/无计算机环境下轻松使用。
· 典型应用
AvaSpec光谱仪系列的应用领域非常广泛,如农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、宝石检测、LED检测、印刷、造纸、喇曼光谱、半导体工业等。下面介绍一些典型应用。
1.颜色测量(详情请点击)
一般来说,物体和浓稠液体的颜色测量可以使用不同的实验布局,比如使用反射型光纤探头或积分球。在该测量中,可以使用波长范围在380到780nm,分辨率(FWHM)为5nm的光谱仪;此外,还需要白光连续光源和白色反射瓦。对于测量纺织品、纸张、水果、葡萄酒、鸟类羽毛颜色等不同的应用可以使用不同的光纤探头。应用反射光谱的颜色测量的典型实验布局如图所示。
2.紫外/可见吸收光谱测量(详情请点击)
液体的吸收率测量可以用不同的实验布局和波长范围来实现,如使用浸入型光纤探头或流动样品池进行在线吸收率测量,或使用样品固定器进行样品的吸收率测量。对于测量紫外/可见波长范围的光谱仪,可以选择波长范围200-1100nm、分辨率1.4nm(FWHM)。此外还需要氘-卤素灯作为光源。不同的应用可以选择不同的光纤探头。吸收率测量的典型实验布局如图所示。

3.发射光谱测量(详情请点击)
发射光谱测量可以用不同的实验布局和波长范围来实现,还要用到余弦校正器或积分球。发射光谱测量可以在紫外/可见和可见/近红外波长范围内测量。
对于发射光谱的绝对测量,光谱仪可以配置成波长范围从200-400nm或350-1100nm,或组合起来实现紫外/可见200-1100nm,并可以在Avantes公司的定标实验室里进行辐射定标。定标后的实验布局不能改变,如光纤和匀光器都不能更改。
为了使实验布局更灵活,用可见/近红外定标光源(AvaLight-HAL-CAL)或紫外/可见/近红外定标光源(AvaLight-DH-CAL)可以在用户现场进行定标。功能强大的AvaSoft-IRRAD软件可以完成定标并载入辐射定标数据。发射光谱测量的典型实验布局如图所示。
4.LED测量(详情请点击)
最简单而且迅速地测量LED的整个光通量的方法就是使用一个积分球,并把它连接到一个Avantes公司的光谱仪上。该系统可以用卤素灯进行定标(AvaLight-HAL-CAL-ISP),然后用AvaSoft-IRRAD软件从测量到的光谱分布计算出相关参数,并实现辐射量的绝对测量。所测光源的光谱发光强度还可以用μW/cm2/nm来计算、显示并存储。另外的窗口还可以显示大约10个参数:辐射量μW/cm2,
μJ/cm2, μW或μJ;光通量lux或lumen,色轴X, Y, Z, x, y, z, u,
v和色温。LED测量的典型实验布局如图所示。

5.薄膜厚度测量(详情请点击)
AvaSpec的膜厚测量系统基于白光干涉测量原理,可以测量的膜层厚度10nm-50μm,分辨率为1nm。薄膜测量在半导体晶片生长过程中经常被用到,因为等离子体刻蚀和淀积过程需要监控;其它应用如在金属和玻璃材料基底上镀透明光学膜层也需要测量膜层厚度。配套的AvaSoft-ThinFilm应用软件包括丰富的各种常用材料和膜层的n值和k值,可以实现膜层厚度的在线监测,并可以输出到Excel文件进行过程控制。薄膜厚度测量的典型实验布局如图所示。
6.真空室镀膜过程监控(详情请点击)
光纤光谱仪为真空室内镀膜过程的监控提供了一种灵活的测量手段,它可以方便地把光引入并引出真空室或洁净工作仓,同时选择镀膜过程分析所需要测量的参数。在实际的在线生产中,可以在工作仓中放置几个探头来检测整个生产过程。图示为真空室镀膜过程监控的典型实验布局。在这里一个反射型光纤探头用来在线监测镀膜过程。氘-卤素灯发出的光被导入真空室并传导到反射探头上,反射光由反射探头传导到光谱仪中;也可以再增加一个通道作为参考测量来补偿光源的波动。

7.氧浓度传感器(详情请点击)
氧浓度传感器包括一个光纤荧光探头,探头表面镀有专利技术的膜层,并使用一个蓝光LED作为激发源,还有一台高灵敏度的微型光谱仪。该传感器应用荧光技术测量氧的绝对含量,样品产生的荧光反射回探测器上。当气态或液态样品中的氧扩散到探头的膜层上时,就会使荧光猝灭,猝灭的程度与样品中的氧的浓度是相关的。
AvaSoft-OXY应用软件可以同时校正传感器并监测氧的浓度。氧浓度测量的典型实验布局如图所示。
8.宝石成分检测(详情请点击)
颜色是判断钻石成色的决定因素之一,天然钻石和人造钻石可以用波长范围在400-750nm的光检测出来。在天然Ia类钻石的吸收谱中可以发现415nm和478nm的特征波长,而人造钻石在该波长处则没有吸收峰。人造钻石中可以探测到592nm和741nm的波长。而且天然钻石和人造钻石的吸收峰幅值相差近10倍。当然其它宝石也可以用这种方法检测,如红宝石、紫翠玉、蓝宝石等。宝石成分检测的典型实验布局如图所示。

9.荧光测量(详情请点击)
在许多应用领域如生物学(叶绿素和类胡萝卜素)、生物医学(恶性病的荧光诊断)和环境应用中都需要用到荧光检测技术。荧光检测通常需要高灵敏度光谱仪(积分时间大于5秒时选用AvaSpec-2048TEC)。在大多数应用中荧光能量仅为激发光能量的3%,波长要长于激发光,而且时散射光。在荧光测量系统中,一定要避免激发光进入到光谱仪中。荧光测量的典型实验布局如图所示。
10.生物医学应用(详情请点击)
在过去的十年中,Avantes公司帮助许多用户进行了血成分分析的非侵入式和侵入式的光谱学测量手段,测量了许多重要的医学指标,如组织和纹理中的氧浓度、血色素、细胞色素和水浓度等。非侵入式检测系统包括AvaSpec-2048单通道微型光纤光谱仪、AvaLight-HAL卤钨灯和反射型光纤探头,而侵入式检测系统则使用了一根植入于导管中的特殊的反射型光纤探头。
在需要连续测量氧浓度、血色素的氧化和去氧化过程的医学应用中,该系统得到了成功的应用。 生物医学应用的典型实验布局如图所示。
11.喇曼光谱测量(详情请点击)
AvaRaman喇曼系统是一台高度集成化而且价格很低的系统,适用于需要喇曼测量的应用领域。AvaRaman喇曼系统包括半导体激光器,
AvaSpec-2048光纤光谱仪,和多种可选光纤探头和AvaSoft-Raman应用软件。
AvaRaman喇曼系统有量个基本型:1。低成本非冷却型,分辨率25cm-1。2。高性能TE致冷型,分辨率10cm-1。
AvaRaman喇曼系统特别适用于反应过程监控、产品识别、遥感,水溶液、凝胶体和其它介质中高散射粒子的判定。AvaRaman喇曼系统的光源也可以选择50mW或100mW的532nm固体绿光激光器、氩离子激光器或HeNe激光器。
12.颜色混合及匹配
Mix2Match软件可以与AvaMouse或SpectroCam配合使用,也可以与其它能用于颜色测量的AvaSpec光谱仪配合使用。主要的应用领域是印刷业、印染业和绘画业。
Mix2Match是颜色匹配软件,它的主要功能是创建一个新颜色与数据库中的已知颜色进行比对并进行校正,也可以创建一个新颜色来与着色文件中的颜色进行比对。
13.材料(金属/非金属)成分检测
LIBS(激光诱导荧光)技术是基于激光束聚焦到被测样品上所产生的物质电离过程,电子的再结合会发光,对该光谱进行分析研究可以得到被测物质的成分。
LIBS技术最初是由美国Los Alamos国家实验室的David Cremers研究小组在二十多年前发明的。从此以后,LIBS技术成功地被用于痕量元素的检测和恶劣环境下的在线成分分析等应用中。
根据所分析的元素不同,LIBS技术可以探测ppm到ppt级的含量。而且不需要对所测样品进行预加工(如抛光,溶解等),可以分析固态、液态、气态样品。
AvaLIBS是一款结构紧凑、操作简便、分析结果准确的分析系统。它把高能YAG激光束聚焦到样品上,然后同轴收集产生的信号光,并用高分辨率、多通道、快触发型AvaSpec-2048FT光谱仪进行分析。

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