光谱仪 | RP 系列激光分析设计软件

一般来说，光谱仪是一种用于研究光、物质或物体的波长相关特性的仪器；它的用途相当广泛：

· 光谱仪是一种可以在空间上分离光的光谱成分的仪器，单独分析光谱成分——例如使用照相底片或外部光电探测器。所使用的分光测色仪通常是衍射光栅或棱镜。

· 光谱仪通常还包含一些用于分析光强的光电探测器。包含大型探测器阵列的光谱仪可用于记录光源的光谱，而且无需在光栅方向扫描。当配备强度校准时，此类设备更具体地称为光谱辐射计。

· 其他光学光谱仪用于分析物质或物体的光谱特性，例如与波长相关的透射率或反射率。它们更具体地称为分光光度计，并在化学等领域得到应用。使用包含一些窄线宽 可调谐激光器的激光光谱仪可以获得特别高的光谱分辨率和高灵敏度。然而，这些通常只能覆盖相当有限的光谱区域。

还有光学和光子学领域之外的多种光谱仪，例如用于测量颗粒速度或颗粒尺寸分布的设备。然而，本文完全聚焦于对光进行光谱分析的光谱仪。当对物质或物体的分析感兴趣时，请参阅有关分光光度计的文章。

使用光谱仪进行的测量通常会提供波长或频率函数作为光的光功率谱密度(PSD) 。并非所有光谱仪都提供经过校准的 PSD；通常，强度读数未经校准，而且对于波长来说可能与校准因子（响应度）有很大相关性。

还有光谱相位干涉测量方法，不仅可以测量功率谱密度，还可以测量光谱相位。

有些光谱仪也具有成像功能，称为成像光谱仪。请参阅有关高光谱成像和多光谱成像的文章。

如果仅需要测量激光束的光谱线宽，而不需要测量详细的光谱形状，则可以使用其他方法，例如进行自外差线宽测量。通过这种方法，人们可以测量非常小的线宽，其远低于典型光谱仪的分辨率。

光谱仪的类型

                 

                   

基于衍射光栅或棱镜的光谱仪

大多数光谱仪都基于某种多色仪，即可以在空间上分离光的不同波长成分的装置。通常，他们利用一个或多个衍射光栅上的波长相关衍射或一个或多个棱镜上的波长相关折射。

通常，入射光束在入射到光栅或棱镜之前会被准直（使其平行）。在色散元件之后，不同的波长分量沿差别不大的方向传播。然后，光线可能会通过一些额外的光学器件，最后到达光电探测器。

为了获得光谱仪（非扫描光谱仪），光电探测器可以是光电二极管阵列、CCD阵列或类似物，记录某个空间范围内的强度，该空间范围对应于某个光谱间隔。人们可以通过将不同波长映射到探测器像素来直接获得光谱。由于可以同时测量所有波长分量，因此数据采集相对较快。分辨率通常受到探测器像素密度的限制，或者可能受到光学设置的限制。通过使用插值来确定光谱峰值位置，它比根据像素间距有更好的精度。

在扫描光谱仪中，检测器可以是单个光电二极管或光电倍增管，放置在狭窄的光学狭缝之后，以便一次只有一个狭窄的波长间隔可以到达检测器。然后，假设输入的PSD在该时间期间保持恒定，则可以移动光栅或棱镜的狭缝位置或角取向，使得可以扫描特定波长范围。然后该装置充当可调单色器。图 1 显示了切尼尔—特纳光栅单色仪的常见设计。如果以高分辨率扫描宽光谱范围，并且如果检测器不能非常快，则全光谱的采集时间可能会很长，例如因为低光功率必须要求相当长的平均时间。如果光源的属性不稳定，长的采集时间不仅会带来不便，而且会成为一个麻烦的问题。

图1:扫描光谱仪中使用的切尼尔—特纳单色仪的设计，对于非扫描设备没有出口狭缝（或更宽的狭缝）。

通过入口狭缝的光被曲面反射镜准直，在衍射光栅处经历与波长相关的偏转，然后再次被另一个曲面镜聚焦。对于衍射光栅的一个方向，只有窄波长带内的光可以通过出口狭缝。（所示光线适用于该间隔内的波长）整个装置放置在一个盒子中，其中包含孔径和黑色外壳，以最大限度地减少杂散光的影响。

还有改进的设计，例如交叉切尼尔—特纳光谱仪，允许比展开版本更紧凑的设计。另一个版本基于凹面全息光栅，不涉及额外的曲面反射镜。

有些光栅光谱仪非常紧凑，宽度只有几厘米。然而，最高的性能（特别是在分辨率和灵敏度方面）是通过更大的仪器获得的。这种光谱仪达到的典型波长分辨率约为 0.01 nm 至 0.1 nm。

根据所使用的光谱仪类型（例如光栅光谱仪），必须观察各种细节：

· 输入光通常必须被发送到宽度可变的入口狭缝上。为了获得最高的光谱分辨率，狭缝应该变窄，但这会降低发射功率，因此可能导致噪声增加或采集时间更长，特别是对于低亮度的光源。一些光谱仪具有光纤输入，可以是多模光纤，也可以是单模光纤。多模光纤更容易收集光，而单模光纤则可实现最高的光谱仪性能。

· 衍射光栅通常使用第一衍射级次，但有时使用更高的衍射级次以获得更好的性能。无论是第几衍射级次，都可能存在光与在其他衍射阶次的伪影问题。如果发现难以解释的光谱特征，可以检查它们是否可能是此类伪影。

· 光谱仪的响应可能取决于偏振，因为光栅的衍射效率或棱镜布置上的反射损耗与偏振相关。

· 有些光谱仪必须由用户校准。对于波长校准，可以使用某些放电灯，发射具有精确定义的波长分量的线光谱。整个波长间隔的响应度校准通常更加困难。一种方法是使用具有已知灯丝温度或校准光谱的白炽灯。

干涉光谱仪

使用各种类型的干涉光谱仪可以获得高光谱分辨率，但仅在非常有限的光谱范围内：

· 一些仪器基于法布里-珀罗 干涉仪，其中镜面间距被机械扫描，例如通过压电线性促动器，同时记录传输的光功率。可用光谱区间就是所谓的自由光谱范围，由镜距决定；这通常是 0.1 GHz 到 10 GHz 的量级，即以纳米为单位。分辨率带宽是自由光谱范围除以精度，后者主要由镜面反射率决定。镜子之间的距离较大可以实现更高的性能，但也会导致自由光谱范围变窄。

· 傅里叶变换光谱仪包含一个迈克尔逊干涉仪，其中一个臂长可以在很长的距离（毫米、厘米甚至更远）上进行机械扫描。在全臂长度扫描期间记录的探测器信号与时间的关系必须进行傅立叶变换才能获得光谱。优点是存在的高光谱分辨率，并且只需要单一的光电探测器。

· 一个简化的版本是波长计，专门用于精确测量激光源的波长，而不是记录完整的光谱。

· 阵列波导光栅用于非常紧凑的光谱仪。它们基于小型波导装置中的干涉效应。

基于传播时间的色散光谱分析

对于宽带超短脉冲的频谱分析原理可以实现完全不同的操作。人们可以简单地通过一根长光纤发送这样的脉冲，这会引入大量的色散，而且会导致不同光谱分量在光纤之后的到达时间不同：例如，原始脉冲持续时间远低于100 fs的脉冲可能会分散在几个纳秒内。通过使用光电二极管和示波器分析该光，可以获得光谱信息。当然，我们应该确保光学非线性效应不会使结果无效；在光纤中，这极大限制了允许的峰值功率。

该方法的一个非常有吸引力的特性是可以高速记录光谱。单个超短脉冲足以达到该目的，而传统的扫描光谱仪可能需要很多秒，并且会对脉冲序列上的光谱进行平均。

极端光谱区的光谱仪

传统的光谱仪在可见光谱范围或近红外光或紫外光下工作。然而，也有可在极端光谱区域运行的光谱仪。

有些设备在短波长下工作，即在极紫外 (EUV) 甚至 X 射线区域，波长仅为几纳米。此类装置利用原子尺度上的周期性，可能由线间距非常小的衍射光栅、在 X 射线区域甚至单晶光栅构成。作为一种光电探测器，可以使用特殊的 X 射线CCD相机或微通道板 (MCP) 探测器（→光电倍增管）。

其他光谱仪适用于中红外光谱区域（→中红外光谱仪）。它们需要特殊的红外光学器件和合适的探测器。长波长光电探测器是可用的，但在探测噪声和带宽方面性能有限。通过使用激光和频产生方法，将红外光通过上转换效应转换为可见光或近红外光，以便利用可见光或近红外光电探测器，可以实现实质性改进。这方面对于光谱仪尤其重要，其中需要一个多通道检测器。此类器件大多采用硅技术，而且仅适用于大约1 μm以下的波长。

光谱仪的应用

                 

                   

因为光谱仪的应用领域非常广泛。一些典型的例子如下：

· 在光学技术和基础物理中，光谱仪用于表征各种光源和光学元件。

· 例如，天文学中的光学望远镜经常使用光谱仪来获取有关星系、恒星和行星的附加信息。

· 在化学中，光谱仪可用于识别物质或测量多种物质的浓度，例如液体溶液或气体中的浓度。有关更多详细信息，请参阅有关分光光度计的文章。在激光雷达的背景下，光谱分析可用于环境监测。

另请参阅有关光谱学的文章以了解更多应用。

根据应用的不同，对所覆盖的波长区域、性能（例如分辨率、灵敏度、速度等）和成本的要求可能截然不同。因此，市面上有各种各样的光谱仪，并且针对特殊应用（例如天文学）开发了专门的版本。