一种微型光纤光谱仪的研制及其性能测试

　　光谱测量是测量紫外、可见、近红外和红外波段光强度的技术，被广泛应用于多种领域，如颜色测量、化学成分的浓度测量或辐射度学分析、膜厚测量、气体成分分析等.普通的机械式光谱仪，为了让其达到高灵敏度和高分辨率的要求，通常使用步进电机带动光栅的转动对待测光扫描，采用光电倍增管作为探测器接收不同波长，进而得到其光谱功率分布.因此需要较大的工作箱来满足驱动和传动的需要，这就使得光谱仪的体积、重及功耗较大.同时，机械式的光谱仪扫描时间一般大于30s，很难应用于实时性要求高的场合.因此，为了克服这些缺点，研制实时性强、携带方便的微型光纤光谱仪具有重要的实际应用价值.

　　本文主要介绍一种自制的微型光纤光谱仪，对其光学结构及硬件实现进行介绍.同时，利用常用的光学特征光源汞灯作为性能测试设备，对所制备的光谱仪进行了光学性能测试，获得了较好的结果.

　　1　结构和原理

　　1.1　光路的设计

　　光纤光谱仪的核心是光栅色散光谱系统，分为光学系统和光电信号处理系统两部分.光学系统基于交叉非对称Czerny-Turner成像系统设计，采用交叉非对称Czerny-Turner有利于消除系统杂散光，并且有效地减小了系统体积，有利于系统微型化的实现[1].

　　光学系统主要由入射光纤、光纤耦合器、狭缝、准直镜、平面衍射光栅、聚焦镜和探测器等组成，如图1，其中光电探测器选用价格低廉、量子效率较高SONY公司线阵CCD产品，其型号为ILX554B.

　　待测光由光纤通过光纤耦合器导入光纤光谱仪中，由于狭缝的宽度小于光纤直径，入射光束宽度等于狭缝的宽度.经狭缝限束后的光束经凹面准直镜准直后反射到衍射光栅表面上(本系统采用600线/mm的光栅作为衍射光栅，光栅的刻槽密度越低光谱仪可检测的光谱范围越大).光栅通过色散将待测光按波长的不同在空间分离开来，并投射到凹面收集镜的表面上，收集镜将色散光谱反射聚焦到CCD探测器表面转换成相应的电信号输出[2，3].各光学元件均固定在采用LY12铝材制成的铝发黑盒内，减少杂散光反射的同时，元件之间的位置也得到精密控制，从而保证了收集镜反射光的焦平面落在CCD的入射窗口上.同时在 CCD探测器的前端添加一滤光片，可以有效地消除可见光及近红外波段的二级衍射.

　　1.2　狭缝的制作和装配

　　狭缝是光纤光谱仪的基本组成部分之一，狭缝的宽度直接影响光纤光谱仪系统的分辨率与灵敏度.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 5～400μm之间，否则会产生干涉且光谱分辨率下降.