光譜儀 | RP 系列激光分析設計軟件

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一般來說，光譜儀是一種用于研究光、物質或物體的波長相關特性的儀器；它的用途相當廣泛：

· 光譜儀是一種可以在空間上分離光的光譜成分的儀器，單獨分析光譜成分——例如使用照相底片或外部光電探測器。所使用的分光測色儀通常是衍射光柵或棱鏡。

· 光譜儀通常還包含一些用于分析光強的光電探測器。包含大型探測器陣列的光譜儀可用于記錄光源的光譜，而且無需在光柵方向掃描。當配備強度校準時，此類設備更具體地稱為光譜輻射計。

· 其他光學光譜儀用于分析物質或物體的光譜特性，例如與波長相關的透射率或反射率。它們更具體地稱為分光光度計，并在化學等領域得到應用。使用包含一些窄線寬可調諧激光器的激光光譜儀可以獲得特別高的光譜分辨率和高靈敏度。然而，這些通常只能覆蓋相當有限的光譜區域。

還有光學和光子學領域之外的多種光譜儀，例如用于測量顆粒速度或顆粒尺寸分布的設備。然而，本文完全聚焦于對光進行光譜分析的光譜儀。當對物質或物體的分析感興趣時，請參閱有關分光光度計的文章。

使用光譜儀進行的測量通常會提供波長或頻率函數作為光的光功率譜密度(PSD) 。并非所有光譜儀都提供經過校準的 PSD；通常，強度讀數未經校準，而且對于波長來說可能與校準因子（響應度）有很大相關性。

還有光譜相位干涉測量方法，不僅可以測量功率譜密度，還可以測量光譜相位。

有些光譜儀也具有成像功能，稱為成像光譜儀。請參閱有關高光譜成像和多光譜成像的文章。

如果僅需要測量激光束的光譜線寬，而不需要測量詳細的光譜形狀，則可以使用其他方法，例如進行自外差線寬測量。通過這種方法，人們可以測量非常小的線寬，其遠低于典型光譜儀的分辨率。

光譜儀的類型

基于衍射光柵或棱鏡的光譜儀

大多數光譜儀都基于某種多色儀，即可以在空間上分離光的不同波長成分的裝置。通常，他們利用一個或多個衍射光柵上的波長相關衍射或一個或多個棱鏡上的波長相關折射。

通常，入射光束在入射到光柵或棱鏡之前會被準直（使其平行）。在色散元件之后，不同的波長分量沿差別不大的方向傳播。然后，光線可能會通過一些額外的光學器件，最后到達光電探測器。

為了獲得光譜儀（非掃描光譜儀），光電探測器可以是光電二極管陣列、CCD陣列或類似物，記錄某個空間范圍內的強度，該空間范圍對應于某個光譜間隔。人們可以通過將不同波長映射到探測器像素來直接獲得光譜。由于可以同時測量所有波長分量，因此數據采集相對較快。分辨率通常受到探測器像素密度的限制，或者可能受到光學設置的限制。通過使用插值來確定光譜峰值位置，它比根據像素間距有更好的精度。

在掃描光譜儀中，檢測器可以是單個光電二極管或光電倍增管，放置在狹窄的光學狹縫之后，以便一次只有一個狹窄的波長間隔可以到達檢測器。然后，假設輸入的PSD在該時間期間保持恒定，則可以移動光柵或棱鏡的狹縫位置或角取向，使得可以掃描特定波長范圍。然后該裝置充當可調單色器。圖 1 顯示了切尼爾—特納光柵單色儀的常見設計。如果以高分辨率掃描寬光譜范圍，并且如果檢測器不能非常快，則全光譜的采集時間可能會很長，例如因為低光功率必須要求相當長的平均時間。如果光源的屬性不穩定，長的采集時間不僅會帶來不便，而且會成為一個麻煩的問題。

圖1:掃描光譜儀中使用的切尼爾—特納單色儀的設計，對于非掃描設備沒有出口狹縫（或更寬的狹縫）。

通過入口狹縫的光被曲面反射鏡準直，在衍射光柵處經歷與波長相關的偏轉，然后再次被另一個曲面鏡聚焦。對于衍射光柵的一個方向，只有窄波長帶內的光可以通過出口狹縫。（所示光線適用于該間隔內的波長）整個裝置放置在一個盒子中，其中包含孔徑和黑色外殼，以最大限度地減少雜散光的影響。

還有改進的設計，例如交叉切尼爾—特納光譜儀，允許比展開版本更緊湊的設計。另一個版本基于凹面全息光柵，不涉及額外的曲面反射鏡。

有些光柵光譜儀非常緊湊，寬度只有幾厘米。然而，最高的性能（特別是在分辨率和靈敏度方面）是通過更大的儀器獲得的。這種光譜儀達到的典型波長分辨率約為 0.01 nm 至 0.1 nm。

根據所使用的光譜儀類型（例如光柵光譜儀），必須觀察各種細節：

· 輸入光通常必須被發送到寬度可變的入口狹縫上。為了獲得最高的光譜分辨率，狹縫應該變窄，但這會降低發射功率，因此可能導致噪聲增加或采集時間更長，特別是對于低亮度的光源。一些光譜儀具有光纖輸入，可以是多模光纖，也可以是單模光纖。多模光纖更容易收集光，而單模光纖則可實現最高的光譜儀性能。

· 衍射光柵通常使用第一衍射級次，但有時使用更高的衍射級次以獲得更好的性能。無論是第幾衍射級次，都可能存在光與在其他衍射階次的偽影問題。如果發現難以解釋的光譜特征，可以檢查它們是否可能是此類偽影。

· 光譜儀的響應可能取決于偏振，因為光柵的衍射效率或棱鏡布置上的反射損耗與偏振相關。

· 有些光譜儀必須由用戶校準。對于波長校準，可以使用某些放電燈，發射具有精確定義的波長分量的線光譜。整個波長間隔的響應度校準通常更加困難。一種方法是使用具有已知燈絲溫度或校準光譜的白熾燈。

干涉光譜儀

使用各種類型的干涉光譜儀可以獲得高光譜分辨率，但僅在非常有限的光譜范圍內：

· 一些儀器基于法布里-珀羅干涉儀，其中鏡面間距被機械掃描，例如通過壓電線性促動器，同時記錄傳輸的光功率。可用光譜區間就是所謂的自由光譜范圍，由鏡距決定；這通常是 0.1 GHz 到 10 GHz 的量級，即以納米為單位。分辨率帶寬是自由光譜范圍除以精度，后者主要由鏡面反射率決定。鏡子之間的距離較大可以實現更高的性能，但也會導致自由光譜范圍變窄。

· 傅里葉變換光譜儀包含一個邁克爾遜干涉儀，其中一個臂長可以在很長的距離（毫米、厘米甚至更遠）上進行機械掃描。在全臂長度掃描期間記錄的探測器信號與時間的關系必須進行傅立葉變換才能獲得光譜。優點是存在的高光譜分辨率，并且只需要單一的光電探測器。

· 一個簡化的版本是波長計，專門用于精確測量激光源的波長，而不是記錄完整的光譜。

· 陣列波導光柵用于非常緊湊的光譜儀。它們基于小型波導裝置中的干涉效應。

基于傳播時間的色散光譜分析

對于寬帶超短脈沖的頻譜分析原理可以實現完全不同的操作。人們可以簡單地通過一根長光纖發送這樣的脈沖，這會引入大量的色散，而且會導致不同光譜分量在光纖之后的到達時間不同：例如，原始脈沖持續時間遠低于100 fs的脈沖可能會分散在幾個納秒內。通過使用光電二極管和示波器分析該光，可以獲得光譜信息。當然，我們應該確保光學非線性效應不會使結果無效；在光纖中，這極大限制了允許的峰值功率。

該方法的一個非常有吸引力的特性是可以高速記錄光譜。單個超短脈沖足以達到該目的，而傳統的掃描光譜儀可能需要很多秒，并且會對脈沖序列上的光譜進行平均。

極端光譜區的光譜儀

傳統的光譜儀在可見光譜范圍或近紅外光或紫外光下工作。然而，也有可在極端光譜區域運行的光譜儀。

有些設備在短波長下工作，即在極紫外 (EUV) 甚至 X 射線區域，波長僅為幾納米。此類裝置利用原子尺度上的周期性，可能由線間距非常小的衍射光柵、在 X 射線區域甚至單晶光柵構成。作為一種光電探測器，可以使用特殊的 X 射線CCD相機或微通道板 (MCP) 探測器（→光電倍增管）。

其他光譜儀適用于中紅外光譜區域（→中紅外光譜儀）。它們需要特殊的紅外光學器件和合適的探測器。長波長光電探測器是可用的，但在探測噪聲和帶寬方面性能有限。通過使用激光和頻產生方法，將紅外光通過上轉換效應轉換為可見光或近紅外光，以便利用可見光或近紅外光電探測器，可以實現實質性改進。這方面對于光譜儀尤其重要，其中需要一個多通道檢測器。此類器件大多采用硅技術，而且僅適用于大約1 μm以下的波長。