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          学术文章

          什么是光谱仪,它的基本原理?
          发布日期:2015-07-08


          什么是光谱仪,它的基本原理?
           

                   光谱仪,又称分光仪。以线阵CCD、光电倍增管等光探测器在不同波长位置,测量谱线强度的装置。其构造由一个入射狭缝,一个色散系统,一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域,并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。
                  光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器,由棱镜或衍射光栅等构成,利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光),但若通过光谱仪将阳光分解,按波长排列,可见光只占光谱中很小的范围,其余都是肉眼无法分辨的光谱,如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影,或电脑化自动显示数值仪器显示和分析,从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。
                  将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型,除在可见光波段使用的光谱仪外,还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分,有直接用眼观察的分光镜,用感光片记录的摄谱仪,以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器,常与其他分析仪器配合使用。

             图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直,放置在透镜L的物方焦面内,感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S, S的像成在感光片上成为光谱线,由于棱镜的色散作用,不同波长的谱线彼此分开,就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段,用石英可扩展到紫外区,在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。目前普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计,可以具有较宽的光谱范围。
          表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等?;诟缮嬖砩杓频墓馄滓牵ㄈ绶ú祭?珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪)具有很高的色散率和分辨本领,常用于光谱精细结构的分析。

          原理
                   根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光.
                   根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道分析仪OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集,处理, 存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作,使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测量准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出.目前,它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测.

          光谱仪可以用于食品行业的安全鉴别
                 中华食品指纹图谱协会联合国内顶类软件开发领跑军深圳星魔岩科技。采用一定的分析手段如光谱或色谱,得到能够标示该样品特性的色谱或光谱的谱图或图像。这些图谱或图像就如人的指纹一样具有专一性和代表性,因此被形象地称之为指纹图谱。对成分较复杂的样品的质量控制而言,指纹图谱能全面、综合地反应和控制样品的质量。
                  建立食品指纹图谱的分析手段越来越多,它是随着现代分析技术发展而诞生的一种从整体上研究复杂物质体系的技术,已经在环境?;?、食品评价、中药质量控制等许多领域中得到应用。指纹图谱技术在食品中应用可以对食品品质,特色成分鉴别提供数据,然而指纹图谱在食品中的应用还不是很普遍。此项应用是在遵守国家宪法、法律和法规的前提下,坚持以科技改善生活,提供鉴别安全食品服务,高效的服务指导思想。

          透射测定

                  光谱仪的透射率或它的效率可用辅助单色仪装置来测定。在可见和近紫外实现这些测量没有任何困难。测量通过第一个单色仪的光通量,紧接着测量通过两个单色仪的光通量,以这种方式来确定第二个单色仪的透射率。
          绝对测量需要知道单色仪的绝对透射率:对于相对测量,以各种波长处的相对单位可以测量透射率。真空紫外线的这些测量有相当大的实验困难,因此通常使用辅助单色仪。在各种入射角的情况下分别测量衍射光栅的效率。在许多实验步骤中已成功地避免了校准上的困难。
                  曾经研究过光栅效率与波长、入射角、镀层厚度、镀层材料以及其它因素的关系。所有这些测量都指出,在许多情况下能量损失是非常显著的,并且光栅的效率低于1%,光栅的不同部分可能有明显不同的效率。

          构成

          如图1-1所示 一台典型的光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分:
          1. 入射狭缝: 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。
          2. 准直元件: 使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上,如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。
          3. 色散元件: 通常采用光栅,使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。
          4. 聚焦元件: 聚焦色散后的光束,使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像,其中每一像点对应于一特定波长。
          5. 探测器阵列:放置于焦平面,用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。