【鑒知科普】什么是光纖光譜儀？如何選擇合適的狹縫和光纖？

發布日期：2023-12-14 11:27:33

1、什么是光纖光譜儀

光纖光譜儀是目前最常見的一類光譜儀，這種光譜儀允許光信號經過一根光纖（也叫光纖跳線）傳遞到光譜儀內部，在光譜測試及系統搭建中更加靈活和方便使用。

光纖光譜儀一般是區別于傅里葉變換型光譜儀和實驗室大型光譜儀，傅里葉變換型光譜儀是基于干涉原理，通過電機驅動定鏡改變光程差實現波長掃描；實驗室大型光譜儀通常采用焦距300mm~600mm反射鏡，通過電機旋轉光柵進行掃描。光纖光譜儀采用固定光柵（無旋轉電機），利用CCD或者CMOS的單次成像獲取整個光譜范圍的光譜，焦距通常在200mm以內，甚至只有30或50mm，體積非常小，所以也叫微型光纖光譜儀。

微型光纖光譜儀

微型光纖光譜儀體積小、成本低、檢測速度快、靈活性高，在工業上被大量應用。微型光纖光譜儀內部主要是由狹縫、凹面鏡、光柵、CCD/CMOS及驅動電路組成，通過USB線或串口線連接到上位機（電腦）軟件，從而完成光譜采集。

光纖光譜儀構造

光纖光譜儀上配備了光纖接口法蘭，可以連接和固定光纖。大多數光纖光譜儀通常采用SMA905光纖接口，也有個別應用需要采用FC/PC光纖接口，甚至采用一些非標的光纖接口，比如直徑10mm圓柱形多芯光纖接口。

搜圖

SMA905光纖接口（左），FC/PC光纖接口

FC/PC接口上有一個卡槽用于定位

2、如何選擇合適的狹縫

光信號經過光纖后，經過一個光學狹縫，才進到光譜儀內部。微型光譜儀狹縫寬度一般是固定的，鑒知?光纖光譜儀提供的標準狹縫寬度為10μm、25μm、50μm、100μm、200μm幾種不同的規格，也可以根據用戶的需求定制。

不同的縫寬會影響光通量和光學分辨率——狹縫越窄、光學分辨越高、光通量越低。因此，用戶要根據實際的需求，比如分辨率優先或光通量優先來選擇合適的狹縫。鑒知?光纖光譜儀的技術資料提供了詳細的狹縫-分辨率對應表，供用戶選型參考。

狹縫

鑒知SR50C 狹縫-分辨率對照表

3、如何選擇合適的光纖

用戶在使用光譜儀搭建系統時，要根據光譜儀參數和系統情況選擇合適的光纖，用于接收光信號并且傳遞到光譜儀的狹縫位置。

在選擇光纖時，主要考慮三個參數：第一是纖芯直徑（芯徑）。芯徑有多種規格可選，一般有5μm、50μm、105μm、200μm、400μm、600μm等，更粗可以到1mm以上。需要注意的是，增加芯徑雖然可以提高光纖前端接收到的能量，但由于前端狹縫寬度以及后端探測器感光面高度限制了光譜儀的接收能力，所以芯徑并不是越粗越好。對于鑒知? 采用了線陣CMOS的型號為SR50C和SR75C的光譜儀，建議選擇200μm芯徑的光纖來接收，而對于內部為面陣CCD的SR100B、SR100Z、SR100Q以及ST90S、ST100S等光譜儀，可考慮用更粗的400μm、600μm光纖接收，甚至是多芯光纖。

不同的光纖芯徑

多芯光纖，一端為圓形排列（用于接收），一端為線形排列（用于耦合到光譜儀）

光纖信號耦合到狹縫

第二是光纖的工作波段和材料。光纖材料一般有高羥基（High-OH）、低羥基（Low-OH）、抗紫外光纖。不同材料的波長透過率不同，一般高羥基光纖用于紫外/可見光波段（UV/VIS），低羥其用于近紅外（NIR）波段，紫外波段還要考慮采用特殊的抗紫外光纖，用戶要根據工作波段來選擇合適的光纖。

第三是光纖的數值孔徑（NA）值。由于光纖的發光原理，光纖端面的出射光被限制在一定的發散角范圍內，這個角度以NA值來表征。多模光纖的NA一般有0.1、0.22、0.39、0.5幾種可選，以最為常見0.22NA為例，意味著光纖經過50mm后的光斑直徑約為22mm，100mm后的直徑為44mm。光纖光譜儀廠商在設計光譜儀時也通常考慮盡量匹配光纖的NA值0.22，以保證能量盡可能地接收。另外，光纖的NA值還關系到——當光纖前端有透鏡耦合時，透鏡的NA值要盡量和光纖的NA值匹配，避免光信號的損失。