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【鉴知科普】什么是光纤光谱仪?如何选择合适的狭缝和光纤?
发布日期:2023-12-14 11:27:33
1、什么是光纤光谱仪

光纤光谱仪是目前最常见的一类光谱仪,这种光谱仪允许光信号经过一根光纤(也叫光纤跳线)传递到光谱仪内部,在光谱测试及系统搭建中更加灵活和方便使用。

光纤光谱仪一般是区别于傅里叶变换型光谱仪和实验室大型光谱仪,傅里叶变换型光谱仪是基于干涉原理,通过电机驱动定镜改变光程差实现波长扫描;实验室大型光谱仪通常采用焦距300mm~600mm反射镜,通过电机旋转光栅进行扫描。光纤光谱仪采用固定光栅(无旋转电机),利用CCD或者CMOS的单次成像获取整个光谱范围的光谱,焦距通常在200mm以内,甚至只有30或50mm,体积非常小,所以也叫微型光纤光谱仪。


微型光纤光谱仪

微型光纤光谱仪体积小、成本低、检测速度快、灵活性高,在工业上被大量应用。微型光纤光谱仪内部主要是由狭缝、凹面镜、光栅、CCD/CMOS及驱动电路组成,通过USB线或串口线连接到上位机(电脑)软件,从而完成光谱采集。


光纤光谱仪构造

光纤光谱仪上配备了光纤接口法兰,可以连接和固定光纤。大多数光纤光谱仪通常采用SMA905光纤接口,也有个别应用需要采用FC/PC光纤接口,甚至采用一些非标的光纤接口,比如直径10mm圆柱形多芯光纤接口。


搜图

SMA905光纤接口(左),FC/PC光纤接口


FC/PC接口上有一个卡槽用于定位

2、如何选择合适的狭缝

光信号经过光纤后,经过一个光学狭缝,才进到光谱仪内部。微型光谱仪狭缝宽度一般是固定的,鉴知®光纤光谱仪提供的标准狭缝宽度为10μm、25μm、50μm、100μm、200μm几种不同的规格,也可以根据用户的需求定制。

不同的缝宽会影响光通量和光学分辨率——狭缝越窄、光学分辨越高、光通量越低。因此,用户要根据实际的需求,比如分辨率优先或光通量优先来选择合适的狭缝。鉴知®光纤光谱仪的技术资料提供了详细的狭缝-分辨率对应表,供用户选型参考。


狭缝


鉴知SR50C 狭缝-分辨率对照表


3、如何选择合适的光纤

用户在使用光谱仪搭建系统时,要根据光谱仪参数和系统情况选择合适的光纤,用于接收光信号并且传递到光谱仪的狭缝位置。

在选择光纤时,主要考虑三个参数:第一是纤芯直径(芯径)芯径有多种规格可选,一般有5μm、50μm、105μm、200μm、400μm、600μm等,更粗可以到1mm以上。需要注意的是,增加芯径虽然可以提高光纤前端接收到的能量,但由于前端狭缝宽度以及后端探测器感光面高度限制了光谱仪的接收能力,所以芯径并不是越粗越好。对于鉴知® 采用了线阵CMOS的型号为SR50C和SR75C的光谱仪,建议选择200μm芯径的光纤来接收,而对于内部为面阵CCD的SR100B、SR100Z、SR100Q以及ST90S、ST100S等光谱仪,可考虑用更粗的400μm、600μm光纤接收,甚至是多芯光纤。


不同的光纤芯径


多芯光纤,一端为圆形排列(用于接收),一端为线形排列(用于耦合到光谱仪)


光纤信号耦合到狭缝

第二是光纤的工作波段和材料。光纤材料一般有高羟基(High-OH)、低羟基(Low-OH)、抗紫外光纤。不同材料的波长透过率不同,一般高羟基光纤用于紫外/可见光波段(UV/VIS),低羟其用于近红外(NIR) 波段,紫外波段还要考虑采用特殊的抗紫外光纤,用户要根据工作波段来选择合适的光纤。

第三是光纤的数值孔径(NA)值由于光纤的发光原理,光纤端面的出射光被限制在一定的发散角范围内,这个角度以NA值来表征。多模光纤的NA一般有0.1、0.22、0.39、0.5几种可选,以最为常见0.22NA为例,意味着光纤经过50mm后的光斑直径约为22mm,100mm后的直径为44mm。光纤光谱仪厂商在设计光谱仪时也通常考虑尽量匹配光纤的NA值0.22,以保证能量尽可能地接收。另外,光纤的NA值还关系到——当光纤前端有透镜耦合时,透镜的NA值要尽量和光纤的NA值匹配,避免光信号的损失。


光纤的NA值决定了光纤的光束发散角



光纤在和透镜或凹面镜配合时,NA值要尽量匹配,避免能量损失

光纤光谱仪的NA值参数代表了光谱仪可以接收的角度。如果信号光入射NA(即入射光纤NA)小于或等于光谱仪的NA,表示入射的信号会被完全利用,如果信号光入射NA大于光谱仪NA值,表示存在一部分能量损失。鉴知的透射光谱仪系列有较大的数值孔径,NA值为0.25,可以完全接收0.22NA的多模光纤信号。


光谱仪的NA值即内部凹面反射镜的NA值

用户在收集光信号时,除了利用光纤传导以外,还可以采用自由空间光耦合的方法,即利用透镜将平行光汇聚到光谱仪内部。采用自由空间光路时,透镜的NA值要和光谱仪的NA值匹配,同时还要保证光谱仪的狭缝位于透镜的焦点处,以实现最大的光通量。


自由空间光路耦合

4、鉴知技术光谱仪系列产品


    鉴知技术自主研发多款微型光纤光谱仪、高分辨率光纤光谱仪、透射光谱仪、近红外微型光谱仪等产品,同时可满足客户对光谱仪的常规光学参数指标、体积大小、软件功能、通信接口等各方面的定制化需求。

鉴知光谱仪广泛应用于工业领域和科研领域,实现荧光光谱、拉曼光谱、化学分析、颜色测量、激光波长分析、LED分选、成像和照明、传感设备、LIBS等功能需求。


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