光纤光谱仪的简介与使用

两束白光，肉眼观感几乎一致，但把它们按波长摊开，差异就会显现：蓝光、红光成分的比例有所不同。

 

图1 白光光谱效果

像这样把难分辨的光按波长分开再逐点记录，正是光纤光谱仪在做的事。光纤光谱仪内部有一连串元件：狭缝、光栅、探测器……参数表里的多数指标，就来自这些元件的取舍。本文以采用阵列探测器的光栅色散型光纤光谱仪为主线，顺着光路讲清其中各元件的作用，再落到实际选型和设备使用。

 

光谱曲线

 

光栅阵列式光谱仪将入射光按波长分开，再由探测器接收信号。经过波长标定，软件把探测器位置对应到波长，生成光谱曲线。

 

图2 光谱曲线示例

* 曲线纵轴通常为探测器输出信号；若要得到绝对辐射量，还需要相应的辐射定标。测量透射率、反射率或吸光度时，还需要配套采样光路，并采集暗信号和参考信号。

 

实际工作中一条能用的光谱，一般需要结合硬件、采样、校正三部分得出结果：

光谱仪本身决定仪器的基础分辨能力和探测能力—— 狭缝、光栅、探测器选什么样，谱线能分多细、信号能测多弱；

采样光路决定样品和参考光之间的信号差异—— 测的是透射还是反射、光怎么进出样品、有没有杂散光混进来；

校正方案负责减小系统偏差 —— 基线漂移、暗信号偏置、探测器各像元响应不均。

 

光谱仪经典光路元件

 

Czerny–Turner（简称 CT）光路是光谱仪中最经典的光路构型之一，由入射狭缝、准直反射镜、反射光栅、聚焦反射镜和探测器组成。下面以 M 型 CT （也称基本型、非交叉式 CT）为例，它的主光路依次折转，整体布局近似字母 M。沿着光的传播顺序观察，五个元件的功能可作明确划分。

 

图3 M型Czerny–Turner光路示意

 

① 入射狭缝 S：光纤与入射接口把待测光导入狭缝。狭缝限制入口的宽度和形状，经过后续光学系统，不同波长的光各自在其对应位置形成狭缝的像。其中，沿色散方向的狭缝宽度，直接影响谱线在探测器上的宽度。

② 准直镜 M1：将狭缝出射的发散光准直，使同一狭缝点发出的光以近似平行光束入射到衍射光栅。

③ 衍射光栅 G：利用刻线结构产生衍射，使同一级次中不同波长的光沿不同方向传播，实现分光。

④ 聚焦镜 M2：将分光后的光束聚焦到阵列探测器的不同位置，把波长差转换成空间位置差。反射镜的面形、镀膜、装调状态，会影响成像质量与光能传递。

⑤ 阵列探测器 D：接收光信号并转换为电信号；读出电路完成采集与数字化，由软件显示、存储、分析光谱。探测器有效长度、像元大小、波段响应、噪声水平，需要和光学系统匹配。

* 选配元件—滤光片：根据测量波段配置，抑制不需要的波段或高阶衍射光，减小相应的测量干扰。

 

参数解读

 

参数表里的指标可以归成四类：第一类决定仪器能测什么——波长范围、光谱分辨率、杂散光等基础配置；第二类决定测得准不准、快不快 —— 波长准确度、信噪比、动态范围、采集速度；第三类为元件的选择；第四类为特定测量任务的配置。下面以麓邦光纤光谱仪为例，为大家解读这其中的重要参数：

 

图4 麓邦AMOS参数表示例

 

基础配置

 

① 波长范围：仪器可测量的波长区间。光栅、光路几何和探测器尺寸决定光谱的几何覆盖范围，光学效率与探测器响应则影响各波长上的信号水平。评估波段时，也应留意两端是否仍有足够的信号。

② 闪耀波长：通常按特定参考几何（即特定的入射/衍射角度条件）和衍射级次标注，描述该条件下光能较有效地进入所需级次的波长位置。需要特别提醒的是：闪耀波长不等于“唯一有效波长”，实际效率还与入射角、偏振和镀膜有关，选型时应查看与工作条件相符的效率曲线，关注整个目标波段的表现。

 

图5 不同效率分布的定性示意

 

③ 光谱分辨率：描述区分相邻谱线的能力，常用半高全宽（FWHM）表征。扣除背景后，净峰高一半处左右两点之间的波长差，就是 FWHM。使用本征线宽远小于仪器展宽的标准谱线，测得的 FWHM 才能近似反映仪器的谱线响应。以 nm 表示时，较小的 FWHM 通常意味着更窄的谱线响应；实际能否分开两个峰，还与峰形、相对强度和信噪比有关。

 

图6 FWHM 以扣除背景后的净峰高为基准

* 注意：采样间隔与分辨率需要分别理解，一个谱峰通常由多个像元共同记录。

 

举例：某配置在目标波长附近的采样间隔为0.2 nm/像元，若一条足够窄的标准谱线测得的 FWHM 跨 3 个像元，对应的仪器 FWHM 约为 0.6 nm。需要提醒的是，实际跨越多少像元需要测量，不能仅由采样间隔推定。

测量效果的要求

 

① 信噪比：在规定条件下，有效信号相对于噪声水平的比值。延长积分时间通常有助于积累光信号，但信噪比能否改善还取决于主要噪声来源，同时需要兼顾暗信号、漂移和饱和。

② 动态范围：在规定测试条件下，最大可用信号与最小可辨信号之比，反映可测量的强弱信号跨度。比较时应确认具体定义和测试方法。

③ 数据采集速度：受积分时间、读出电路和数据传输等因素共同影响。比较帧率时，应同时核对积分时间、读出模式和传输设置。

 

元件选择-狭缝

 

狭缝是影响谱线宽度与进光量的重要元件。选择狭缝时，需要把希望分辨的光谱细节与实际可用的光量放在一起考虑。

在光路、探测器不变的前提下，如果谱线展宽主要来自狭缝成像：

· 收窄狭缝，通常有利于缩窄谱线、观察更细的光谱结构；但通过的光量也可能减少，需要确认信号是否仍能满足测量。

· 加宽狭缝，通常能接收更多光，同时也可能使谱线变宽，间距较小的谱峰便更难分开。

参考示例：若狭缝高度不变、入射照明在狭缝范围内均匀，且系统其他限制不变，宽度由50 μm 减至 10 μm 时，几何通光量可近似降至原来的 1/5。但请注意，实际信号变化还取决于光斑、耦合和系统孔径，同时，整机 FWHM 也不一定随缝宽等比例减小（受制于像差与衍射）。

 

图7 同一对窄谱线经不同宽度的仪器响应展宽后的趋势示意

 

狭缝继续变窄后，像差、衍射和探测器采样等因素会限制分辨率的进一步改善。如果入射光斑已完全落入狭缝、未被截断，继续加宽也未必带来明显的进光收益。光纤出射光斑、数值孔径和耦合状态，都会影响这项取舍。

评估狭缝效果时，可以固定输入光、光纤耦合、积分时间及处理设置，比较标准谱线宽度与信噪比。分析信号变化时，还应区分单点峰高与一定波段内的积分信号，避免将某一个数据点的变化直接等同于总接收光量的变化。

 

元件选择-光栅

狭缝影响入口收光和谱线宽度，光栅则决定光谱的展开尺度与衍射效率分布。在实际设计中，光栅需要与光路几何、探测器和目标波段一起匹配。

在一种常用的角度符号约定下，反射光栅的分光规律可写为：

d 为刻线周期，即相邻刻线的间距；α、β 分别为相对于光栅法线定义的入射角和衍射角，正负号按同一约定取值；m 为衍射级次，λ 为光的波长。

简单理解：在相同衍射级次、相近工作角度下，刻线越密，d 越小，同一波长差对应的衍射角差通常越大，这就意味着，光谱在探测器靶面上会被展得更开。

* 刻线密度：每毫米的刻线数量。在相同衍射级次、相近工作角度及固定焦距条件下，较高刻线密度通常带来较大的色散，相邻波长在像面上的间隔更大。对于长度固定的探测器，单次覆盖的波长范围则通常会缩小。

 

图8 固定探测器尺寸下，同一波长差对应的空间间隔示意

选型及使用提示

以同类系统中的 1200 线/mm 与 300 线/mm 光栅对比，前者通常更便于展开窄波段内的细节，后者通常能覆盖更宽的波段。实际范围与分辨率还需结合安装角度、狭缝、像差和探测器进行系统性评估。
更换光栅通常会改变色散及光谱在探测器上的位置。更换后，需要复核成像、波段边缘覆盖和滤光匹配，并重新进行波长标定。若用于绝对辐射测量，还需重新评估辐射定标。最终的系统分辨率由光栅色散、狭缝成像、像差和采样等因素共同决定。

同一光栅、相同入射角下，满足相同mλ 的不同波长与级次，可以对应同一衍射方向。例如，300 nm 的二级衍射光（2 × 300 nm）与 600 nm 的一级衍射光（1 × 600 nm）衍射方向相同。若这些光进入后续光路并被探测器接收，300 nm 的二级分量就可能混入按一级光谱标定的 600 nm 处信号；即便它被记录在 600 nm 处，它的实际波长仍是300 nm。

图9  300 nm 二级光与 600 nm 一级光的级次重叠示意

 

级次重叠的干扰强弱，取决于光源短波成分、光栅级次效率、光路透射率和探测器响应。长波测量通道可用适当的长波通滤光片抑制短波高阶光。若系统同时需要测量短波，则可结合光谱在探测器上的位置分布，匹配分区或线性可变长波通滤光方案，在抑制长波通道干扰的同时保留短波测量。

 

测量任务

① 分辨邻近窄谱线

典型场景：激光纵模、相邻原子发射线、气体吸收线的精细结构。

可参考目标峰间距Δλ 和预期仪器FWHM 的比值——该比值越大，通常越容易分开；具体还取决于峰形、相对强度和信噪比。所以先估Δλ，再按需要的 FWHM 定刻线密度和缝宽。Δλ 在 1 nm 量级时，可评估 1800 线/mm 配 10–25 μm 缝；Δλ 到 5 nm 以上时，可评估 600 线/mm 配 50 μm 缝，是否满足要求均需结合目标波段的实测 FWHM 确认。

② 宽波段光谱采集

典型场景：透射率、吸光度、颜色测量。

需兼顾波段覆盖、分辨率与采样间隔——目标波段宽度除以探测器有效像元数可近似估算平均采样间隔，局部间隔需由波长标定确定。为较好记录峰形，可参考每个FWHM 覆盖约 3 个或更多像元。400–1000 nm 落在 2048 个像元上，平均间隔约0.3 nm；要一次覆盖200–1100 nm，平均间隔约0.44 nm，是否满足测量还需结合目标谱线宽度和仪器 FWHM 判断。

③ 弱光信号测量

典型场景：荧光、等离子体、在线监测。

判据是最长可接受积分时间——先按光栅效率、缝宽和耦合效率估一下落到探测器上的光量，看在可接受时间内能不能达到需要的信噪比。如果在可接受积分时间内信噪比仍不足，可在满足分辨率的前提下评估加宽狭缝，并优化耦合及目标波段的光栅效率；同时根据主要噪声来源评估探测器。

实际测量中，多项需求常常同时存在。先明确目标波段、所需光谱细节和采样条件，再选择硬件配置。配置确定后，可以通过两步验证：

步骤一：标准谱线检查波长位置误差与仪器谱线宽度；

步骤二：真实测试工况下评估信噪比，最终确认整套配置适配测量任务。

 

定制组合

 

麓邦AMOS系列光纤光谱仪狭缝、刻线密度、闪耀波长都是可选项，围绕重点测量波段和谱线分辨需求来组合。

AMOS光学分辨率受光栅刻线密度与狭缝宽度等因素共同影响，不同搭配会带来明确的分辨性能差异，下图为1200 线/mm 光栅下的典型分辨率参考，实际表现需结合测试波长与配置确认：

 

 

闪耀波长支持定制（如 300 nm、500 nm、750 nm 等），光谱范围等其他参数亦可按需定制。

总结表