光譜儀:科學儀器-中文百科頻道

簡介

光譜儀(Spectroscope)是将成分複雜的光分解為光譜線的科學儀器，由棱鏡或衍射光栅等構成，利用光譜儀可測量物體表面反射的光線。陽光中的七色光是肉眼能分的部分(可見光)，但若通過光譜儀将陽光分解，按波長排列，可見光隻占光譜中很小的範圍，其餘都是肉眼無法分辨的光譜，如紅外線、微波、紫外線、X射線等等。通過光譜儀對光信息的抓取、以照相底片顯影，或電腦化自動顯示數值儀器顯示和分析，從而測知物品中含有何種元素。這種技術被廣泛地應用于空氣污染、水污染、食品衛生、金屬工業等的檢測中。

将複色光分離成光譜的光學儀器。光譜儀有多種類型，除在可見光波段使用的光譜儀外，還有紅外光譜儀和紫外光譜儀。按色散元件的不同可分為棱鏡光譜儀、光栅光譜儀和幹涉光譜儀等。按探測方法分，有直接用眼觀察的分光鏡，用感光片記錄的攝譜儀，以及用光電或熱電元件探測光譜的分光光度計等。單色儀是通過狹縫隻輸出單色譜線的光譜儀器，常與其他分析儀器配合使用。

圖中所示是三棱鏡攝譜儀的基本結構。狹縫S與棱鏡的主截面垂直，放置在透鏡L的物方焦面内，感光片放置在透鏡L的像方焦面内。用光源照明狹縫S，S的像成在感光片上成為光譜線，由于棱鏡的色散作用，不同波長的譜線彼此分開，就得入射光的光譜。棱鏡攝譜儀能觀察的光譜範圍決定于棱鏡等光學元件對光譜的吸收。普通光學玻璃隻适用于可見光波段，用石英可擴展到紫外區，在紅外區一般使用氯化鈉、溴化鉀和氟化鈣等晶體。普遍使用的反射式光栅光譜儀的光譜範圍取決于光栅條紋的設計，可以具有較寬的光譜範圍。

表征光譜儀基本特性的參量有光譜範圍、色散率、帶寬和分辨本領等。基于幹涉原理設計的光譜儀（如法布裡-珀羅幹涉儀、傅立葉變換光譜儀）具有很高的色散率和分辨本領，常用于光譜精細結構的分析。

原理

根據現代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分為兩大類：經典光譜儀和新型光譜儀。經典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器;新型光譜儀器是建立在調制原理上的儀器。經典光譜儀器都是狹縫光譜儀器。調制光譜儀是非空間分光的，它采用圓孔進光。

根據色散組件的分光原理，光譜儀器可分為：棱鏡光譜儀，衍射光栅光譜儀和幹涉光譜儀。

光學多道分析儀OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十幾年出現的采用光子探測器(CCD)和計算機控制的新型光譜分析儀器，它集信息采集，處理，存儲諸功能于一體.由于OMA不再使用感光乳膠，避免和省去了暗室處理以及之後的一系列繁瑣處理，測量工作，使傳統的光譜技術發生了根本的改變，大大改善了工作條件，提高了工作效率;使用OMA分析光譜，測量準确迅速，方便，且靈敏度高，響應時間快，光譜分辨率高，測量結果可立即從顯示屏上讀出或由打印機，繪圖儀輸出。它己被廣泛使用于幾乎所有的光譜測量，分析及研究工作中，特别适應于對微弱信号，瞬變信号的檢測。

構成

如圖1-1所示一台典型的光譜儀主要由一個光學平台和一個檢測系統組成。包括以下幾個主要部分：

1.入射狹縫：在入射光的照射下形成光譜儀成像系統的物點。

2.準直元件：使狹縫發出的光線變為平行光。該準直元件可以是一獨立的透鏡、反射鏡、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光譜儀中的凹面光栅。

3.色散元件：通常采用光栅，使光信号在空間上按波長分散成為多條光束。

4.聚焦元件：聚焦色散後的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狹縫的像，其中每一像點對應于一特定波長。

5.探測器陣列：放置于焦平面，用于測量各波長像點的光強度。該探測器陣列可以是CCD陣列或其它種類的光探測器陣列。

生活應用

光譜儀應用很廣，在農業、天文、汽車、生物、化學、鍍膜、色度計量、環境檢測、薄膜工業、食品、印刷、造紙、喇曼光譜、半導體工業、成分檢測、顔色混合及匹配、生物醫學應用、熒光測量、寶石成分檢測、氧濃度傳感器、真空室鍍膜過程監控、薄膜厚度測量、LED測量、發射光譜測量、紫外/可見吸收光譜測量、顔色測量等領域應用廣泛。

透射測定

光譜儀的透射率或它的效率可用輔助單色儀裝置來測定。在可見和近紫外實現這些測量沒有任何困難。測量通過第一個單色儀的光通量，緊接着測量通過兩個單色儀的光通量，以這種方式來确定第二個單色儀的透射率。

絕對測量需要知道單色儀的絕對透射率：對于相對測量，以各種波長處的相對單位可以測量透射率。真空紫外線的這些測量有相當大的實驗困難，因此通常使用輔助單色儀。在各種入射角的情況下分别測量衍射光栅的效率。在許多實驗步驟中已成功地避免了校準上的困難。

曾經研究過光栅效率與波長、入射角、鍍層厚度、鍍層材料以及其它因素的關系。所有這些測量都指出，在許多情況下能量損失是非常顯着的，并且光栅的效率低于1%，光栅的不同部分可能有明顯不同的效率。

使用注意事項

啟動

1.1 如停機在2-8小時，則外冷水需先運轉10分鐘，内冷水需先運轉5分鐘;如停機在8小時以上，則外冷水需先運轉15分鐘，内冷水需先運轉10分鐘。

1.2 開機順序為打開外冷水

1.3 打開内冷水(COOLER)開關

1.4 打開CTROL、VACUUM開關(觀察真空度是否下降到10以下，觀察内冷卻水的電導率是否在10以下)

1.5 打開HEATER

1.6 打開闆高壓開關

1.7 打開電腦，打開MXF操作軟件，點擊Monitor，觀察狀态并檢查是否聯機

1.8 一切正常後，打開面闆右下方X-RAY開關

1.9 點擊面闆左上方X-RAY ON按鈕，可打開X射線--按照(5KV-0mA)--(10KV-mA)--(15KV-0mA)--(20KV-0mA)--(20KV-5mA)--(20KV-10mA)順序升高管流、管壓。如停機在2-8小時，則每步需等待10分鐘;如停機在8小時以上，則每步需等待20分鐘

1.10 點擊Maintenance欄位-彈出Maintenance-MXF-點擊Inrument Setup，彈出Instrument Setup後在X-ray下方管壓、管流欄位中，将兩項設定為(30、20)，點擊執行，即可使光管條件恢複待機狀态，可進行常規分析操作。

關機

在電壓正常情況下，需進行關機調試或其他工作，則可進行常規關機工作。

2.1 待機狀态為管壓30KV、管流20mA。若需關機，則可點擊Maintenance欄位-彈出Maintenance-MXF-點擊Instrument Setup，彈出Instrument Setup-在X-ray下方管壓、管流欄位中，将兩項分别按(20、10)-(20、0)-(10、0)-(0、0)進行降低，最後歸0。

2.2 當管壓、管流均歸0的條件下，可進行關機操作。将面闆上X-RAY打到OFF

2.3 将下方X-RAY開關關閉

2.4 關閉HEATER

2.5 關閉闆高壓開關

2.6 關閉CONSOLE、VACUUM開關

2.7 關閉電腦中MXF操作軟件，關閉電腦

2.8 如果有必要關閉内循環水，則等待5分鐘後，關閉内循環水，如無必要，則不關閉--如果有必要關閉外循環水，則等待10分鐘後關閉外循環水，如無必要，則不關閉。

2.9 關閉配電箱開關，使儀器完全斷電，可進行維護檢查操作。

發展前景

傳統光譜儀器不但是大型精密、貴重儀器，而且對工作環境條件(溫度、濕度、振動、電磁幹擾要求嚴酷，必須要由專業分析人員)。為适應全球發展形勢，上世紀後期已有強烈的光譜儀器小型化、便攜式、現場化的需求，并已出現光譜儀器小型化的潮流，研發小型化光譜儀器成為各國科技、産業部門的關注重點。至于現代軍事科技發展迫切需求的戰場、現場快速放射、生物、化學武器偵查的便攜式光譜儀，今後若幹年會成為全球各國研發重點。