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張靈旺 Robin Chang

Avantes微小型光纖光譜儀(光譜分析儀)

光譜學是測量紫外、可見、近紅外和紅外波段光強度的一種技術。光譜測量被廣泛應用於多種領域，如顏色測量、化學成份的濃度檢測或電磁輻射分析等。欲瞭解更詳細的應用資訊以及相關的實驗裝置，請參閱本產品目錄的最後一章——應用。

　光譜儀器一般都包括入射狹縫、准直鏡、色散元件（光柵或棱鏡）、聚焦光學系統和探測器。而在單色儀中通常還包括出射狹縫，讓整個光譜中一個很窄的部分照射到單象元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定而寬度可調，可以通過旋轉光柵來對整個光譜進行掃描。

　在九十年代，微電子領域中的多象元光學探測器迅猛發展，如 CCD 陣列、光電二極體（ PD）陣列等，使生產低成本掃描器和 CCD 相機成為可能。荷蘭 Avantes 公司的光譜儀使用了同樣的CCD 和光電二極體陣列（ PDA ）探測器，可以對整個光譜進行快速掃描而不必移動光柵。

　由於光通信技術對光纖的需求大大增長，從而開發了低損耗的石英光纖。該光纖同樣可以用於測量光纖，把被測樣品產生的信號光傳導到光譜儀的光學平臺中。由於光纖的耦合非常容易，所以可以很方便地搭建起由光源、採樣附件和光纖光譜儀組成的模組化測量系統。

　光纖光譜儀的優點在於系統的模組化和靈活性。荷蘭 Avantes 公司的微小型光纖光譜儀的測量速度非常快，使得它可以用於線上分析。而且由於它選用低成本的通用探測器，所以光譜儀的成本也大大降低，從而大大擴展了它的應用領域。

·　光學平臺設計
　　Avantes 公司的 AvaSpec 系列光譜儀採用對稱式 Czerny-Turner 光學平臺設計，焦距有45mm ， 50mm 和 75mm 三種（如圖 1 所示）。

　　　　　　　　　　　
　　圖1 AvaSpec光學平臺設計圖

信號光由一個標準的 SMA905 光纖介面進入光學平臺，先經一個球面鏡准直，然後由一塊平面光柵把該准直光色散，經由第二塊球面鏡聚焦，最後光譜的象就被投射到一塊一維線性探測器陣列上。

　光學平臺內包括很多元件，使得用戶可以根據自己的應用選擇最合適的配置。這些元件的選擇對光譜儀的參數影響非常大，如衍射光柵、入射狹縫、消二級衍射效應濾光片和探測器鍍膜等。關於光譜儀的靈敏度、解析度、帶寬以及雜散光等將在後面的章節中為您介紹。

如何為您的應用配置光譜儀

　根據應用領域的不同，用戶必須對採用模組化設計的 AvaSpec 光譜儀中的多種光學元件和選件進行選擇。本節內容就是指導您如何根據您的應用為 AvaSpec 光譜儀選擇合適的光柵、狹縫、探測器和其他選件。

1. 波長範圍

　在為一台光譜儀系統選擇最優化配置的時侯， 波長範圍 是決定光柵型號的首先要考慮的重要參數。如果您需要較寬的波長範圍，我們建議您使用 A 型（ 300 線 / 毫米）或者 B 型 (600 線 / 毫米 ) 光柵（請看光譜儀產品一節中的光柵選擇表）。另一個重要元件是探測器的選擇。荷蘭 Avantes 公司提供了 7 種有著不同的靈敏度特性曲線的探測器型號（見圖 5 ）。對於紫外（ UV ）波段的應用，可以選用 256/1024 圖元的CMOS 探測器或者深紫外（ DUV ）增強型 2048 或者 3648 圖元 CCD 探測器。在近紅外（ NIR ）波段，有兩種不同的 InGaAs 探測器可以選擇。如果您既需要較寬的波長範圍同時又需要高解析度，則多通道光譜儀是最佳的選擇。

2. 光學解析度

　如果您需要很高的 光學解析度 ，我們建議您選擇 1200 線 / 毫米或者更高線對數的光柵（ C.D.E 或 F 型），同時選擇窄狹縫和 2048 或 3648 圖元的 CCD 探測器。例如，對於 AvaSpec-2048 光譜儀，可以選擇 10 微米狹縫來獲得最佳解析度。（請看光譜儀產品部分的光學解析度表）。

3. 靈敏度

　說起 靈敏度 ，重要的是要區分開是光度學中的靈敏度（光譜儀所能探測到的最小信號強度是多少？）還是化學計量學中的靈敏度（光譜儀能夠測量到的最小吸收率差）。

a. 光度靈敏度

　對於如螢光和喇曼等需要高靈敏度光譜儀的應用，我們建議選擇採用 2048 圖元 CCD 探測器的 AvaSpec-2048 ，而且還要選擇 DCL-UV/VIS 探測器靈敏度增強透鏡、較寬的狹縫（ 100 微米或者更寬）或者不安裝狹縫、一個 A 型（ 300 線 / 毫米）光柵。 A 型光柵的色散最小，所以它的靈敏度在所有光柵中是最高的。作為選項，還可以選用熱電製冷型 CCD 探測器 AvaSpec-2048-TEC ，該型號可以採用長積分時間（ 60 秒）來提高信號強度，並可以降低雜訊和提高動態範圍。

　表 4 給出了不同類型探測器的光度靈敏度數據，而圖 5 則給出了每種探測器的光譜回應曲線。

b. 化學計量靈敏度

　為了能探測出兩個幅值很接近的吸收率數值，不但要求探測器的靈敏度高，還要求信噪比高。信噪比最高的探測器是 AvaSpec-256/1024 光譜儀中的 256/1024 圖元CMOS 探測器。而通過在 AvASoft 軟體中把多幅光譜圖平均也可以提高信噪比。

4.測量時間與資料傳輸速度

　光譜儀的資料獲取能力可以通過使用陣列型探測器並且不採用運動元件的方式大大提高。然而，對於每個具體應用都有其最優化的探測器。如對於需要快速回應的應用，我們推薦使用 AvaSpec -2048 FT 或者 USB2 型 CCD 光譜儀。而對於那些對資料傳輸時間要求非常嚴格的應用，我們推薦選擇具有 USB2 介面的光譜儀，並且只傳輸一部分圖元的資料到電腦來大大縮短資料傳輸時間。一般地， AvaSpec-102 型光譜儀是測量速度最快的光譜儀，每秒鐘可以掃描 6000 次。

表1 光譜分析儀配置快速指南

應用領域	AvaSpec光譜儀型號	光柵型號	波長範圍(nm)	鍍膜	狹縫寬度（微米）	FWHM解析度(nm)	探測器靈敏度增強鏡	消二級衍射效應濾光片	消二級衍射效應鍍膜
生物醫學	2048	NB	500-1000	無	50	1.2	無	475	無
化學	1024	UA	200-1100	無	50	2.0	無	無	200-1100
顏色測量	102	VA	360-780	無	100	6.4	有 / 無	無	無
	256	VA	360-780	無	50	3.2	無	無	無
	2048	BB	360-780	無	200	4.1	有 / 無	無	無
螢光測量	2048	VA	350-1100	無	200	8.0	有	無	350-1100
果糖測量	102	IA	800-1100	無	50	5.4	有	550	無
寶石鑒定	2048	VA	350-1100	無	25	1.4	有	無	350-1100
高解析度測量	2048	VD	600-700	無	10	0.07	無	550	無
高解析度測量	3648	VD	600-700	無	10	0.05	無	550	無
輻射測量	2048	UA	200-1100	UV	50	2.8	有 / 無	無	200-1100
半導體雷射器（ LD ）	2048	NC	700-800	無	10	0.1	無	550	無
發光二極體（LED ）	2048	VA	350-1100	無	25	1.4	有 / 無	無	350-1100
鐳射誘導擊穿光譜（ LIBS）	2048FT	UE	200-300	DUV	10	0.09	無	無	無
	2048USB2	UE	200-300	DUV	10	0.09	無	無	無
	3648USB2	UE	200-300	DUV	10	0.07	無	無	無
拉曼光譜	2048TEC	NC	780-930	無	25	0.2	有	550	無
薄膜測量	2048	UA	200-1100	UV	-	4.1	有	無	200-1100
紫外 / 可見 /近紅外	2048	UA	200-1100	UV	25	1.4	有 / 無	無	200-1100
近紅外	NIR256-1.7	NIRA	1000-1700	無	50	5.0	無	1000	無
近紅外	NIR256-2.2	NIRZ	1000-2200	無	50	10.0	無	1000	無

如何選擇合適的光柵？ 　　

　衍射光柵是一種把入射的多色光分解成它所包含的單色光的光學元件。光柵是由一系列等寬等間距的平行凹槽構成的，而這些凹槽是在鍍反射膜的基底材料上刻劃製成的。

　按照凹槽形成方式的不同可以把光柵分成兩種：全息光柵和刻劃光柵。刻劃光柵是用刻劃機上的鑽石刻刀在塗薄金屬反射表面上機械刻劃而成；而全息光柵則是由雷射光束干涉圖樣和光刻過程形成的。 Avaspec 光譜儀中的光柵既有全息光柵，也有刻劃光柵。

　光纖光譜儀中的光柵要由用戶指定，並永久安裝在光譜儀中。接下來用戶就要說明所需要的波長範圍。有時光柵的標稱可用光譜範圍大於照射到探測器上的光譜範圍，這時為了覆蓋更寬的光譜範圍，可選擇雙通道或三通道光譜儀。這些主通道和從通道可以選擇不同的光柵。類似的，雙通道或三通道光譜儀也可以使用戶在更寬的光譜範圍內實現更高的解析度。

　在光譜儀介紹部分，對於每種光譜儀型號都有一個光柵選擇表。表 2 介紹了如何理解這些光柵選擇表。光譜儀的光譜範圍取決於光柵的起始波長和光柵線對數。波長越長則色散效應越大，光柵所覆蓋的波長範圍就越小。

　圖 2 給出了這些光柵的效率曲線。而整台光譜儀的效率則由光纖的傳輸效率、光柵和反射鏡的效率、探測器及其膜層靈敏度的效率共同決定。圖 3 給出了 AvaSpec-2048 光譜儀的光柵色散曲線。

表2 AvaSpec-2048光譜儀的光柵選擇和波長範圍表

應用範圍	可用波長範圍（nm）	每塊光柵覆蓋的光譜範圍（nm）	光柵線對數（線/mm）	閃耀波長（nm）	光柵型號
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	600S	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：取決於光柵的起始波長；波長越長，光柵色散越大，實際光譜範圍越小

如何選擇最優的光學解析度？

　　光譜儀的光學解析度定義為光譜儀所能分辨開的最小波長差。要把兩個光譜線分開則至少要把它們成象到探測器的兩個相鄰象元上。因為光柵決定了不同波長在探測器上可分開的程度（色散），所以它是決定光譜儀解析度的一個非常重要的參數。

　　另一個重要參數是進入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決於光譜儀上安裝的固定寬度的入射狹縫或光纖芯徑（當沒有安裝狹縫時）。

　　Avantes 公司所提供的狹縫尺寸有： 10 ， 25 或 50μm×1000μm （高）或 100 ， 200 或500μm×2000μm （高）。

在指定波長處，狹縫在探測器陣列上所成的象通常會覆蓋幾個象元。如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到這個象尺寸再加上一個象元。當使用大芯徑的光纖時，可以通過選擇比光纖芯徑窄的狹縫來提高光譜儀的解析度。因為這樣會大大降低入射光束的寬度。

　　所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對解析度的影響表在光譜儀產品資訊中都有介紹，表 3 是 AvaSpec-2048 型光譜儀的典型解析度表。請注意，光柵的線對數越高，色散效應隨波長變化就會越顯著，波長越長色散效應越大（表 3 ），因此在最長波長處會得到最高解析度。

　　表 3 中的解析度是 FWHM 值，即最大峰值光強 50% 處（ FWHM ）所對應的譜線寬度（ nm）（圖 4 ）。在 “ 光柵 ” 一節中還有象元色散圖，您可以用來為您的具體應用選擇合適的光柵和解析度。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表3 AvaSpec-2048的解析度（半寬度nm）

狹縫寬度（μm）
光柵（線/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：取決於光柵的起始波長；波長越長，光柵色散越大，解析度越高

所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對解析度的影響如表3所示，表3給出的是AvaSpec-2048型光譜儀的典型解析度值。請注意，光柵的線對數越高，色散效應隨波長變化就會越顯著，波長越長色散效應越大，因此在最長波長處會得到最高解析度。表3中的解析度的定義是最大峰值光強50%處（FWHM）所對應的譜線寬度（nm）。

半寬度的定義
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　圖2 半寬度的定義

探測器

　　AvaSpec 光譜儀可以安裝多種類型的探測器，目前在 200-1100nm 波長範圍內我們提供矽基CCD 、 CMOS 和光電二極體陣列。在下一個章節 “ 靈敏度 ” 裏表 4 中將有一個很完整的介紹。在NIR （ 1000-2300nm ）範圍則使用 InGaAs 陣列探測器。

CCD 探測器（ AvaSpec-2048/3648 ）

　　電荷耦合器件 CCD 探測器中儲存著電荷，而當光子照射到其光敏面時電荷就會被釋放。在積分時間的結尾，剩餘的電荷就會傳送到緩衝器中，然後這個信號被傳送到 A/D 轉換卡。 CCD 探測器具有自然積分的特性因此具有非常大的動態範圍，它只受暗（熱）電流和 AD 轉換卡資料處理速度的限制。 3648 象素 CCD 具有集成的電子快門功能，因此可以達到 10 微秒的積分時間。

• CCD 探測器的優點是象元數多（ 2048 或 3648 ）、靈敏度高、回應速度快。

• 主要缺點是信噪比低。

紫外增強鍍膜

　　對於需要使用 AvaSpec-2048/3648 型光譜儀並且波長小於 350nm 的應用，需要選擇一種特殊的紫外增強探測器鍍膜—— DUV 。未鍍膜的 CCD 探測器對波長小於 350nm 的光信號的回應很低，而 DUV 鍍膜增強了 CCD 探測器在 150-350nm 波長範圍的回應， DUV 鍍膜的弛豫時間很短（納秒量級），因此非常適合於如鐳射誘導擊穿光譜（ LIBS ）等快觸發應用。

光電二極體陣列 (AvaSpec-102)

　　矽光電二極體陣列是一個由多個光電二極體單元（象素）組成的線性陣列，對於 AvaSpec-102 型光譜儀來說象元數是 102 。每個象元都包括一個 P/N 結（正摻雜的 P 區和負摻雜的 N區）。當信號光照射到光電二極體上時，電子就會被激發並輸出電信號。大部分光電二極體陣列都包括讀出 / 積分放大器一體式的集成化信號處理電路。

• 光電二極體的優點是在近紅外區靈敏度高，回應速度快；

• 缺點是象元數較少，在紫外波段沒有回應。

CMOS 線性成像探測器 (AvaSpec-256/1024)

　　所謂的 CMOS 線性成象探測器比 CCD 陣列傳感器具有較低的電荷 - 電壓轉換效率，因此具有較低的光靈敏度，但是卻具有較高的信噪比。 CMOS 比 NMOS 的轉換增益高，而且內部讀出電路中有箝位元電路，可以把雜訊抑制到一個很低的水準。

• CMOS 探測器的優點是信噪比高，紫外波段靈敏度高；

• 缺點是讀出速率低、靈敏度低、成本相對較高（ 1024 個象元）。

InGaAs 線陣成像探測器 (AvaSpec-NIR256)

　　InGaAs 線性成像探測器在近紅外波長區域有著極高的靈敏度。探測器包括一個 CMOS 電晶體的電荷放大陣列，一個移位寄存器和一個時序產生模組。 Avantes 公司有兩種 InGaAs 探測器供用戶選擇：

• 256 圖元非致冷型 InGaAs 探測器，可用於 1000-1700nm 波長範圍。

• 256 圖元 2 級致冷型擴展 InGaAs 探測器，可用於 1000-2300nm 波長範圍。

探測光譜回應曲線

圖3探測器光譜回應曲線

靈敏度

　　探測器象元在某一特定波長處的靈敏度定義為照射到該象元上的單位輻射能量（光子）所產生的電信號強度。對於一個給定的 A/D 轉換卡來說可以理解為每毫焦耳入射光能量所產生的電子記數值。

　　入射到光譜儀中的光能量與照射到單個探測器象元上的光能量之間的關係主要取決於光譜儀光學平臺的結構設計，主要影響因素有光柵的效率、入射光纖或狹縫的尺寸、光學鏡片的性能、是否使用靈敏度增強透鏡等。對於一個給定配置的光譜儀能夠測量六、七十倍的光輻射級次。

　　表 4 給出了一些標準探測器的參數。作為可選項的靈敏度增強透鏡（ DCL ）可以直接安裝在探測器陣列上。這個石英透鏡（如用於 AvaSpec-2048/3648 的 DCL-UV ）可以把系統的靈敏度提高 3-5 倍（取決於所用的光纖芯徑）。

　　表 4 中的靈敏度是針對目前 AvaSpec 系列光譜儀所使用的探測器，單位是每毫秒積分時間內的電子記數值。

　　為了對比不同探測器陣列，我們假設所有光譜儀都採用 600 線 / 毫米的光柵，而且不加靈敏度增強透鏡 DCL 。光譜儀都選用 8 微米芯徑的光纖，並連接到標準的 AvaLight-HAL 鹵素燈上。這相當於 1μWatt 的輸入光能量。

　　近紅外（ NIR ）探測器的參數可以在 AvaSpec-NIR256 產品資訊中的技術參數中找到。

　　　　　　　　　　　　 表4探測器參數表

探測器	TAOS 102	HAM256	HAM1024	SONY2048	TOSHIBA3648
型號	光電二極體陣列	CMOS 線性陣列	CMOS 線性陣裂	CCD 線性陣列	CCD 線性陣列
圖元數，間距	102, 85 μm	256, 25 μm	1024, 25 μm	2048, 14 μm	3648, 8 μm
圖元寬度 / 高度	77 x 85 μm	25 x 500 μm	25 x 500 μm	14 x 56 μm	8 x 200 μm
靈敏度	100 V/lx.s	22 V/lx.s	22 V/lx.s	240 V/lx.s	160 V/lx.s
光譜儀靈敏度（每毫秒積分時間電子記數值）（Avalight-HAL,8μm 芯徑光纖）	1000 記數 /μW (AvaSpec-102)	30 記數 /μW (AvaSpec-256)	30 記數 /μW (AvaSpec-1024)	5000 記數 /μW (AvaSpec-2048)	12000 記數 /μW (AvaSpec-3648)
最敏感波長	750 nm	500 nm	500 nm	500 nm	550 nm
信噪比	1000:1	2000 :1	2000 :1	250 :1	300 :1
暗雜訊（記數值）	約 15	約 7	約 11	約 10	約 10
PNRU( 最大 )**	± 10%	± 3%	±3%	± 5%	± 5%
波長範圍	360-1100 nm	200-1000 nm	200-1000 nm	200*-1100 nm	200*-1100nm
頻率	2 MHz	500 kHz	500 kHz	2 MHz	1 MHz

* DUV 鍍膜

** PNRU （光子回應非均勻性） = 當均勻照明時，象元輸出最大偏差除以信號平均值。

雜散光和二級衍射效應

1 ．雜散光

　　雜散光是錯誤波長（非對應信號光波長）的光輻射照射在探測器象元上所產生的信號，雜散光的來源是：

• 周圍環境光輻射；

• 光學元件缺陷所產生的散射光或非光學元件產生的反射光；

• 不同衍射級次間的重疊。

　　把光譜儀安裝在光密封的外殼內可以有效地消除周圍環境帶來的雜散光。

　　當光譜儀工作在探測極限時（微弱光探測），則來自於光學平臺、光柵、聚焦鏡的雜散光強度就決定了光譜儀的最終探測極限。大多數光柵都是全息型光柵，雜散光很低。雜散光的測試方法是用雷射光束照射到光譜儀上，然後測量遠離鐳射波長處象元的光強。另一種方法是用鹵鎢燈作為光源並配合長通或帶通濾光片進行測試。

　　AvaSpec 光譜儀典型的雜散光參數是 <0.05%@600nm; <0.1%@435nm; <0.1%@250nm 。

2 ．二級衍射效應

　　對於低線對數光柵（寬可測波長範圍）來說，往往會發生光柵的二級衍射光之間的重疊。這些高級次衍射光在大多數場合可以忽略不計，但在某些場合下則必須考慮。解決的方法就是把信號光限制在不可能出現級次重疊的光譜區。具體的方法可以通過在光譜儀入口的 SMA 介面處安裝一個長通濾光片或在探測器前面的保護窗鏡上鍍特殊膜層來實現。該保護窗所鍍的膜層通常是一個長通濾光片（ 590nm ）或兩個長通濾光片（ 350nm 和 550nm ），取決於所選擇的光柵型號及其光譜範圍。

　　表 5 中所示為光譜儀光學平臺內可以加裝的各種濾光片。通常推薦使用如下長通濾光片：OSF-475 與 NB 或 NC 型光柵搭配； OSF-515/550 與 NB 型光柵搭配； OSF-590 與 IB 型光柵搭配。

　　此外，除了消二級衍射效應我們還在 Sony 2048 和 Toshiba3648 探測器上進行了部分深紫外（ DUV ）鍍膜，目的是消除來自紫外區的二級衍射效應，並在可見區提高靈敏度和降低雜訊。這種部分深紫外鍍膜對於下列型號的光柵是自動配置的：

• UA ， 200-1100nm ， DUV400 ，只在前 400 個象素點上鍍膜；

• UB ， 200-700 nm, DUV800, 只在前 800 個象素點上鍍膜。

　　AvaSpec 光譜儀有多種探測器，目前在 200-1100nm 波長範圍內我們提供 CCD 、 CMOS 和光電二極體陣列。在下一個章節 “ 靈敏度 ” 裏表 4 中將有一個很詳細的介紹。在 NIR （ 1000-2300nm ）範圍則使用 InGaAs 陣列