如何配置光纤光谱仪

八戒

光纤光谱仪基本配置包括一个光栅，一个狭缝，和一个探测器。这些部件的参数在选购光谱仪时必须详细说明。光谱仪的性能取决于这些部件的精确组合与校准，校准后的光纤光谱仪，原则上这些配件都不能有任何的变动。光纤光谱仪的光学结构图如下：

如上两个示意图，被称为典型的非对称式Czerny-Turner（柴尔尼-特纳）结构,绝大部分的光纤光谱仪均采用以上结构。其中光栅前的第一个分光镜被称为准直镜，用于将发散的光束转为平行准直光，此镜片还可以减少光在入射时的杂散光。光栅后面为聚焦镜，用于将分散的光聚焦于探测器。德国MUT公司在进行光路设计时，特意考虑了此镜片在消除像差的作用。
    德国m•u•t公司拥有广泛的光谱仪配置选择，使其性能最大化以满足客户要求。如果这些配置不符合您的要求，我们可以根据您的要求为您量身定做。

光栅
光栅的选择取决于光谱范围以及分辨率的要求。对于光纤光谱仪而言，光谱范围通常在200nm-2200nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围；同时分辨率要求越高，其光通量就会偏少。对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求，100线/mm到300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率，可以通过选择1200线/mm以上的光栅，或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。
另外现在绝大部分光栅都是采用凹面光栅，具有一定的闪耀波长，越靠近闪耀波长的波段，其衍射效率越高，因此在选择光栅时，除了考虑光栅的刻划线数，还要考虑工作的波长范围。
简言之，光栅的选择影响了三个方面的因素：光谱分辨率、光通量（灵敏度）、波长范围。

狭缝
较窄的狭缝可以提高分辨率，但光通量较小；另一方面，较宽的狭缝可以增加灵敏度，但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中，选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。通常狭缝的宽度不能太宽，在5um-400um之间，否则会产生干涉。标准的狭缝宽度选择40um的较多。
简言之，狭缝宽度的选择影响了光谱分辨率和光通量（灵敏度）。

探测器
针对光纤光谱仪，探测器选用比较多的为CCD、PDA、CMOS及InGaAs。探测器在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度。探测器在单位面积上的像素数目越多，其分辨率越高，但由于像素较小，动态范围就会较差。探测器在单位面积上的像素数目越少，分辨率越低，但由于像素较大，动态范围就会较好。通常PDA的像素尺寸最大，因此动态范围最大，其次是CCD。针对不同的CCD的生产工艺，还将CCD探测器分为背感光和前感光两种类型，背感光的CCD量子效率可以达到90%以上，非常适合弱信号的探测。
近红外的InGaAs探测器由于本身灵敏度较低，热噪声较高，采用制冷的方式可以有效降低探测器的热噪声，从而提高系统的信噪比。m•u•t 光谱仪依靠来自世界领先光学探测器先进生产商阵容，如Hamamatsu,Thoshiba，Zeiss等产品技术支持。
简言之，探测器的选择影响了光纤光谱仪的分辨率、灵敏度、探测波长及动态范围。

针对不同的探测器类型，进行简单的介绍：
1.CMOS 电路图如下：

感光半导体器件，通常光谱范围选择200nm-1100nm
2.CCD 电路图如下
   
感光半导体器件，和CMOS相比具有更低的动态范围和更小的噪声，通常光谱响应范围350nm-1100nm。但加上紫外镀膜以后，光谱范围可以扩展到200nm-1100nm。如采用背感光芯片，由于其特殊工艺，可直接探测紫外光，涵盖光谱范围200nm-1100nm.

3.InGaAs 铟钾砷探测器
基于InGaAs 而非硅的半导体传感器，光谱响应范围大约900 nm - 2400 nm，因暗电流大, 必须外加制冷器提高其信噪比。但是基于目前的技术，像素数目较少，无法得到很高的光谱分辨率。

对于光纤光谱仪，除了以上最主要的三个可选器件外，还有包括滤光片、光纤、样品架、积分球等各种附件，应用于不同的系统中。