1 引言
光譜儀器是應(yīng)用光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)及計算機技術(shù)對物質(zhì)的成分及結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分析和測量的基本設(shè)備，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、化學(xué)分析、食品品質(zhì)檢測、材料分析、臨床檢驗、航空航天遙感及科學(xué)教育等領(lǐng)域。由于傳統(tǒng)的光譜儀存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用環(huán)境受限、不便攜帶及價格昂貴等不足，不能滿足現(xiàn)場檢測和實時監(jiān)控的需求。因此，微型光纖光譜儀成為光譜儀器發(fā)展的一個重要的研究方向。近年來，由于光纖技術(shù)、光柵技術(shù)及陣列式探測器技術(shù)的發(fā)展和成熟，使得光譜檢測系統(tǒng)形成了光源、采樣單元及攝譜單元相分離的結(jié)構(gòu)形式，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更具模塊化，使用更加方便靈活，從而使微型光纖光譜儀成為現(xiàn)場檢測和實時監(jiān)控的首選儀器。
現(xiàn)以全球首家微型光纖光譜儀的制造商美國Ocean Optics公司的微型光纖光譜儀為例，介紹微型光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)及特點，并且重點介紹其在實際檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用方案。
2 微型光纖光譜儀結(jié)構(gòu)及特點
傳統(tǒng)的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需通過旋轉(zhuǎn)光柵對整個光譜進(jìn)行掃描，測量速度慢，并且對某些樣品還需經(jīng)過特定的預(yù)處理，并要放在儀器的固定樣品室內(nèi)進(jìn)行測量。與此相比，微型光纖光譜儀有很多優(yōu)點，如：速度快、價格低、體積小、重量輕及全譜獲取，而且通過光纖傳導(dǎo)可以脫離樣品室測量，適用于在線實時檢測[1]。
2.1 微型光纖光譜儀結(jié)構(gòu)
光譜儀微型化設(shè)計的實現(xiàn)得益于攝譜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。全球首家光纖光譜儀生產(chǎn)商美國Ocean Optics公司的Michael J. Morris等人研制的USB系列微型光纖光譜儀使用非對稱交叉式Czerny-Turner分光結(jié)構(gòu)，此光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是在Czerny-Turner結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行光路的改進(jìn)，使光譜儀內(nèi)部構(gòu)件布局更緊湊，可進(jìn)一步小型化（如USB4000系列光譜儀的尺寸規(guī)格僅為89.1 mm×63.3 mm×34.4mm）。
攝譜結(jié)構(gòu)光學(xué)平臺的優(yōu)化設(shè)計使微型光纖光譜儀內(nèi)部無移動部件，光學(xué)元件都采用反射形式，可在一定程度上減少像差，并使工作光譜范圍不受材料影響。微型光譜儀的固定化光學(xué)平臺適合于震動及窄空間等復(fù)雜的工作環(huán)境。
2.2 微型光纖光譜儀特點
低損耗光纖、高效率光柵及低噪聲高靈敏CCD陣列探測器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，使微型光纖光譜儀在性能上有了很大的改進(jìn)，具有如下技術(shù)特點：
⑴ 光纖傳導(dǎo)技術(shù)：光纖技術(shù)的發(fā)展，使待測物脫離了固定樣品池的限制，采樣方式變得更加靈活，適合于遠(yuǎn)距離樣品品質(zhì)監(jiān)控。由于光纖對光信號的傳輸作用，使得光譜儀可以遠(yuǎn)離外界環(huán)境的干擾，保證光譜儀的長期可靠運行。
⑵ CCD陣列探測器技術(shù)：將經(jīng)光柵分光后的作用光在探測器上同時瞬間采集，而不必移動光柵，因此樣品光譜采集速度及快（測量時間為3.8ms~10min），并通過計算機實時輸出。
⑶ 光柵技術(shù)：全息光柵具有較小的雜散光，而機械刻劃光柵具有更高的反射率和靈敏度。
⑷ 計算機技術(shù)：電子計算技術(shù)的發(fā)展極大地提高了光譜儀的智能控制和處理能力。
3 微型光纖光譜儀應(yīng)用方案
隨著微型光纖光譜儀應(yīng)用測量系統(tǒng)的不斷拓展，其快速高效分析及便攜式實時應(yīng)用的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，光譜分析技術(shù)正逐步從實驗室分析走向現(xiàn)場實時檢測。依據(jù)現(xiàn)階段實際應(yīng)用現(xiàn)狀，微型光纖光譜儀在以下領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2-3]。
3.1 透射吸收測量系統(tǒng)
透射吸收測量用于測定液體或氣體中介質(zhì)對作用光的吸收，依據(jù)比耳定律，吸光度正比于摩爾吸收率、光程和樣品介質(zhì)濃度。透射吸收測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-UV-VIS光譜儀、DH2000-BAL光源、QP400-025-SR光纖、CUV-UV樣品池、CV-Q-10比色皿及電腦。
3.2 反射測量系統(tǒng)
反射測量方式分為鏡面反射和漫反射測量，在實際測量中，可以采用不同的參考白板和測量角度來進(jìn)行區(qū)分。反射測量用于測定樣品的化學(xué)成分及表面顏色相關(guān)信息。反射測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000光譜儀、DH2000-BAL光源、R400-7-UV-VIS反射探頭、RPH-1探頭支架、標(biāo)準(zhǔn)參考板WS-1及電腦。
3.3 發(fā)光二極管（ LED）測量系統(tǒng)
LED測量系統(tǒng)用于LED光源的絕對光譜強度及顏色指標(biāo)測量。LED測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-VIS-NIR光譜儀、FOIS-1積分球、LS-1-CAL-INT校準(zhǔn)光源、QP400-2-VIS-NIR光纖、LED-PS電源及電腦。
3.4 激光測量系統(tǒng)
根據(jù)激光光譜的特征，檢測系統(tǒng)配置高分辨率的HR4000微型光纖光譜儀，同時可用積分球或余弦校正器來衰減入射光，以避免CCD探測器的飽和。激光測量系統(tǒng)由以下部件組成：HR4000高分辨率光譜儀、FOIS-1積分球、QP400-2-VIS-NIR光纖及電腦。
3.5 熒光測量系統(tǒng)
熒光測量因其光譜信號特別弱，因此需要一個高靈敏的探測器及一個高效率的濾光片，將樣品激發(fā)出的微弱信號光和高強度的激發(fā)光區(qū)別開來。熒光測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀、PX-2光源、QP1000-2-UV-VIS光纖、LVF-HL線性可調(diào)濾光片、CUV-ALL樣品池及電腦。
3.6 氧含量測量系統(tǒng)
氧含量是通過光纖探頭尖端熒光團的熒光強度的衰減來進(jìn)行測量，應(yīng)用熒光淬滅原理可以測量溶解氧或氣態(tài)氧的分壓，從而探測出環(huán)境的氧含量。氧含量測量系統(tǒng)由以下部件組成：USB4000-FL光譜儀、USB-LS-450光源、QBIF600-VIS-NIR光纖、FOXY-R探頭、21-02光纖連接套管及電腦。
3.7 拉曼光譜測量系統(tǒng)
拉曼光譜與紅外吸收光譜同為研究物質(zhì)的分子振動能級從而分析物質(zhì)的組成，但相對于紅外吸收光譜，拉曼光譜的譜線較為簡單且具有獨特性，而且被測物不需進(jìn)行前處理，因此在判斷物質(zhì)組成成分時有明顯的優(yōu)勢。拉曼光譜測量系統(tǒng)特別適用于反應(yīng)過程監(jiān)控、產(chǎn)品識別、遙感及介質(zhì)中高散射粒子的判定。拉曼光譜測量系統(tǒng)由以下部件組成：QE65000高靈敏度光譜儀、785nm/532nm激發(fā)激光器、RIP拉曼應(yīng)用光纖探頭及電腦。
3.8 激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）測量系統(tǒng)
LIBS是一種用于固體、液體及氣體中進(jìn)行實時、定性及半定量的光譜元素分析技術(shù)，其工作原理是高強度的脈沖激光聚焦在樣品表面，脈寬為10ns的激光脈沖蒸發(fā)樣品產(chǎn)生等離子體，隨著等離子體的冷卻，處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)射出元素的特征光譜，這個光譜被光纖探頭收集并傳送到光譜儀，通過光譜分析軟件中預(yù)存的樣品特征光譜進(jìn)行比對分析。LIBS測量系統(tǒng)由以下部件組成：LIBS2500多通道高分辨率光譜儀、LIBS-BUN光纖束、LIBS-LASER激光器、LIBS-SC樣品室、LIBS-IM-USB圖像分析模塊及電腦。
4 結(jié)論
微型光纖光譜儀具有系統(tǒng)模塊化和搭建靈活性的優(yōu)勢，因此在實際生產(chǎn)研究中，僅需配一套光譜儀，應(yīng)用不同的測試附件就可以對各種不同的樣品進(jìn)行實時檢測。同時，微型光纖光譜儀具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊、無移動部件，波長覆蓋范圍廣（175~1100nm或900~2500nm），測量速度快（1ms~15min），價格低等特點，在工業(yè)在線監(jiān)控及便攜式檢測系統(tǒng)集成開發(fā)等領(lǐng)域提供了廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。
