1 引言
光譜儀器是應用光學技術、電子技術及計算機技術對物質的成分及結構等進行分析和測量的基本設備，廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制、化學分析、食品品質檢測、材料分析、臨床檢驗、航空航天遙感及科學教育等領域。由于傳統(tǒng)的光譜儀存在著結構復雜、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、光柵技術及陣列式探測器技術的發(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構形式，整個系統(tǒng)結構更具模塊化，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構及特點，并且重點介紹其在實際檢測領域中的應用方案。
2 微型光纖光譜儀結構及特點
傳統(tǒng)的光譜儀光學系統(tǒng)結構復雜，需通過旋轉光柵對整個光譜進行掃描，測量速度慢，并且對某些樣品還需經(jīng)過特定的預處理，并要放在儀器的固定樣品室內進行測量。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 微型光纖光譜儀結構
光譜儀微型化設計的實現(xiàn)得益于攝譜結構的優(yōu)化。全球首家光纖光譜儀生產商美國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分光結構，此光學結構的設計是在Czerny-Turner結構基礎上進行光路的改進，使光譜儀內部構件布局更緊湊，可進一步小型化（如USB4000系列光譜儀的尺寸規(guī)格僅為89.1 mm×63.3 mm×34.4mm）。
攝譜結構光學平臺的優(yōu)化設計使微型光纖光譜儀內部無移動部件，光學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平臺適合于震動及窄空間等復雜的工作環(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陣列探測器等相關技術的發(fā)展，使微型光纖光譜儀在性能上有了很大的改進，具有如下技術特點：
⑴ 光纖傳導技術：光纖技術的發(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，適合于遠距離樣品品質監(jiān)控。由于光纖對光信號的傳輸作用，使得光譜儀可以遠離外界環(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：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：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：電子計算技術的發(fā)展極大地提高了光譜儀的智能控制和處理能力。
3 微型光纖光譜儀應用方案
隨著微型光纖光譜儀應用測量系統(tǒng)的不斷拓展，其快速高效分析及便攜式實時應用的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來，光譜分析技術正逐步從實驗室分析走向現(xiàn)場實時檢測。依據(jù)現(xiàn)階段實際應用現(xiàn)狀，微型光纖光譜儀在以下領域得到廣泛的應用[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行區(qū)分。反射測量用于測定樣品的化學成分及表面顏色相關信息。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、標準參考板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行測量，應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的分子振動能級從而分析物質的組成，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，而且被測物不需進行前處理，因此在判斷物質組成成分時有明顯的優(yōu)勢。拉曼光譜測量系統(tǒng)特別適用于反應過程監(jiān)控、產品識別、遙感及介質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拉曼應用光纖探頭及電腦。
3.8 激光誘導擊穿光譜（LIBS）測量系統(tǒng)
LIBS是一種用于固體、液體及氣體中進行實時、定性及半定量的光譜元素分析技術，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存的樣品特征光譜進行比對分析。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，因此在實際生產研究中，僅需配一套光譜儀，應用不同的測試附件就可以對各種不同的樣品進行實時檢測。同時，微型光纖光譜儀具有內部結構緊湊、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)等領域提供了廣闊的應用發(fā)展空間。
