微型光纤光谱仪的研制及性能测试

　　1　引言

　　光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学原理,对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备,广泛应用于化学分析、农业生产、环境监测、临床检验、工业检测以及航空航天遥感等领域。由于传统的光谱仪存在着体积大、结构复杂、使用环境受限、价格昂贵等不足,不能满足现场检测、实时监测的要求。因此,微型光谱仪成为光谱仪器发展的一个重要研究方向。在研制出了折衍混合集成微型光谱仪[1]和反射式混合集成微型光纤光谱仪[2]的基础上,研制了一种微型光纤光谱仪。

　　本文主要对研制出的微型光纤光谱仪的原理、结构和操作软件进行介绍,并结合实验数据对该型光谱仪的主要性能参数进行分析。

　　2　结构与原理

　　光谱仪器通常由光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统和接收、检测系统构成(如图1所示)。

　　传统的光谱仪器一直采用光电倍增管(PMT)作为检测器,它是单一的检测元件,检测一条谱线需要一个PMT检测器,设置为一个独立通道。当进行多通道检测时,就需要在仪器内部设置机械转动机构或采用多个检测器,系统结构就变得相当复杂,因此限制了光谱仪器向全谱直读和微型化的发展。

　　为了在不影响基本性能的前提下实现光谱仪的微型化,在其结构设计中应当遵循以下原则:

　　(1)减少系统中组成部件的数量;

　　(2)减少光能传播中与光学元件作用的次数以降低光能损耗;

　　(3)系统结构中应避免使用复杂的运动机构。

　　基于以上原则我们设计了一种简单光路的微型光纤光谱仪,它仅由一个作为光输入的光纤、一个反射式全息凹面光栅、一个平面外反射镜和一个CCD阵列探测器构成(如图2所示)。其工作原理为:光束从光源发出,通过光纤耦合进入光谱仪中,光束在到达全息凹面平场光栅后,被衍射分光并会聚至CCD的光敏面上。经过光电转换后的电信号由USB接口被传送至计算机进行处理和显示。

　　由于采用全息凹面平场光栅作为分光成像元件,并以CCD线阵作为检测器。微型光纤光谱仪实现了全固态安装,无需机械传动装置,延长了使用寿命。与传统仪器相比,这种新型光谱仪不仅体积小,操作简便,光谱定位精度也得到了明显的提高。

　　2.1　全息凹面平场光栅

　　凹面光栅兼有分光和成像的功能,是构成现代光谱仪器的重要元件之一,它替代了传统光谱仪C2T (Czerny2Turner)结构中的两块凹面反射镜和平面光栅,从而大大简化了光谱仪的结构。与机刻凹面光栅相比,利用全息技术获得的凹面光栅具有无鬼线、像差小、信噪比高和制作成本低等特点。全息凹面平场光栅是在全息凹面光栅的基础上对原来的球面光栅表面进行调整,对原来出射谱面为罗兰圆的光谱带进行了修正,保证了在出射谱面在某一段内为平面,以便与接收面为平面的探测器阵列配合使用。