AvaSpec系列微小型光纤光谱仪Word下载.docx

1、谱的象就被投射到一块一维线性探测器阵列上。光学平台内包括很多元件,使得用户可以根据自己的应用选择最合适的配置。这些元件的选择对光谱仪的参数影响非常大,如衍射光栅、入射狭缝、消二级衍射效应滤光片和探测器镀膜等。关于光谱仪的灵敏度、分辨率、带宽以及杂散光等将在后面的章节中为您介绍。如何为您的应用配置光谱仪?根据应用领域的不同,用户必须对采用模块化设计的AvaSpec光谱仪中的多种光学元件和选件进行选择。本节内容就是引导您如何选择合适的光栅、狭缝宽度、探测器和其它选件。1.波长范围在为一台光谱仪系统选择最优化配置的时侯,波长范围是决定光栅型号的首先要考虑的重要参数。如果您需要较宽的波长范围,我们建议

2、您使用A型号（300 线/mm或者B型号（600 线/mm光栅（请看“如何选择合适的光栅”部分的表2。另一个重要元件是探测器的选择。荷兰Avantes公司提供了9种有着不同的灵敏度特性曲线的探测器型号。对于紫外波段的应用,可以选用新型的2048x14像素的薄型背照式CCD探测器、256/1024像素的CMOS探测器或者深紫外（DUV增强型2048像素或3648像素CCD探测器。在近红外（NIR波段,有三种不同的InGaAs探测器可以选择。如果您既需要较宽波长范围同时又需要高分辨率,则多通道光谱仪是最佳的选择。2.光学分辨率3.灵敏度说起灵敏度,重要的是要区分开是光度学中的灵敏度（光谱仪所能测到

3、的最小信号强度是多少?还是化学计量学中的灵敏度（光谱仪能够测量到的最小吸收率差是多少?。a. 光度计量灵敏度对于如荧光和喇曼等需要高灵敏度光谱仪的应用,我们建议选择采用2048像素CCD 探测器的AvaSpec-2048,而且还要选择DCL-UV/VIS 探测器灵敏度增强透镜;较宽的狭缝（100微米或者更宽或者不安装狭缝;一个A 型号（300线/mm 光栅。对于A 型号光栅,光色散最小,所以它的灵敏度在所有光栅中是最高的。作为选择,还可以使用热电致冷型CCD 探测器AvaSpec-2048-TEC ,该型号可以采用长积分时间（60秒来提高信号强度,并可以降低噪声和提高动态范围。对于需要非常高的

4、紫外区灵敏度的应用,我们推荐具有高紫外灵敏度的薄型背照式CCD 探测器,相关的光谱仪为AvaSpec-2048x14。表4给出了不同类型探测器的光度灵敏度数据,而图5则给出了每种探测器的光谱响应曲线。b. 化学计量灵敏度为了能探测出两个幅值很接近的吸收率数值,不但要求探测器的灵敏度高,还要求信噪比高。信噪比最高的探测器是2048x14像素的薄型背照式CCD ,和256/1024像素 CMOS 探测器。而通过在AvaSoft 软件中把多幅光谱图平均也可以提高信噪比。4.测量时间与数据传输速度光谱仪的数据获取能力可以通过使用阵列探测器并且不采用运动组件的方式大大提高。然而,对于每个具体应用都有最优

5、化的探测器。如对于需要快速响应的应用中, 我们推荐使用AvaSpec-2048-USB2型CCD 光谱仪。 而对于那些对数据传输时间要求非常严格的应用,我们推荐选择具有USB2接口的光谱仪,并且只传输一部分像素的数据到计算机,大大缩短数据传输时间。一般地,AvaSpec-128型光谱仪是测量速度最快的光谱仪,每秒钟可以扫描8000次。上述参数是在选择合适的光谱仪配置时是最重要的参数,请联系我们的应用工程师为您的应用选择最优化的光谱仪配置。在下一页中,您会找到一个针对大多数应用的光谱仪快速配置参考表（表1,如果您需要更加详细的解释和配置,请参考本产品目录后面的应用部分。表1 光谱分析仪配置快速指

6、南应用领域 AvaSpec 光谱仪型号 光栅型号 波长范围 （nm 镀膜狭缝（um 分辨率 （nm 灵敏度增强镜 消二级衍射效应滤光片消二级衍射效应镀膜生物医学 2048 NB 500-1000 无 50 1.2 无 475 无 化学 1024 UA 200-1100 无 50 2.0 无 无 OSC-UA 128 VA 360-780 无 100 6.4 有或无 无 无 256 VA 360-780 无 503.2无无 无 颜色测量 2048 BB 360-780 无 200 4.1 有或无 无 无 荧光测量 2048 VA 350-1100 无 200 8.0 有 无 OSC 果糖测量 1

7、28 IA 800-1100 无50 5.4 有 550 无 宝石鉴定 2048 VA 350-1100 无 25 1.4 有 无 OSC 2048 VD 600-700 无 10 0.07 无 550 无 高分辨率测量 3648 VD 600-700 无 10 0.05 无 550 无 高紫外灵敏度 2048x14 UC 200-450 无 200 2.0 无无 无 辐射测量 2048 UA 200-1100 UV 50 2.8 有或无 无 OSC-UA 半导体激光器（ LD 2048NC700-800无 100.1550发光二极管（ LED 2048VA350-1100251.4有或无OS

8、C2048FT UE 200-300 DUV 10 0.09 无 无 无 激光诱导击穿光谱（ LIBS 2048USB2UE200-300DUV100.09拉曼光谱2048TEC NC 780-930 无25 0.2 有550 无薄膜测量2048 UA 200-1100 UV - 4.1 有无OSC-UA 紫外 / 可见 / 近红外2048 UA 200-1100 UV 25 1.4 有或无无OSC-UANIR256-1.7 NIR 900-1750 无50 3.0 无1000 无NIR256-2.0 NIR 1000-2000 无50 6.0 无1000 无NIR256-2.2 NIR 10

9、00-2200无50 10.0 无1000 无近红外NIR256-2.5 NIR 1000-2500 无50 15.0 无1000 无如何选择合适的光栅?衍射光栅是一种把入射的多色光分解成它所包含的单色光的光学元件。光栅是由一系列等宽等间距的平行凹槽构成的,而这些凹槽是在镀反射膜的基底材料上刻划制成的。按照凹槽形成方式的不同可以把光栅分为两种:全息光栅和刻划光栅。刻划光栅是用刻划机上的钻石刻刀在光栅反射表面上机械刻划而成;而全息光栅则是由激光束干涉图样和光刻过程形成的。AvaSpec光谱仪中的光栅既有全息光栅,也有刻划光栅。光纤光谱仪中的光栅要由用户指定,并永久安装在光谱仪中。接下来用户就要说

10、明所需要的波长范围。有时光栅的标称可用光谱范围大于照射到探测器上的光谱范围,这时为了覆盖更宽的光谱范围,可选择双通道或多通道光谱仪。这些主通道和从通道可以选择不同的光栅。类似的,双通道或多通道光谱仪也可以使用户在更宽的光谱范围内实现更高的分辨率。表2介绍了如何理解这些光栅选择。波长范围取决于光栅的起始波长和光栅线对数。波长越长则色散效应越大,光栅所覆盖的波长范围就越小。表2 AvaSpec-2048光谱仪的光栅选择和波长范围表应用范围可用波长范围（nm每块光栅覆盖的光谱范围（nm光栅线对数（线/mm闪耀波长（nm光栅型号UV/VIS200-850520600250UBUV200-750250-

11、220*1200250UCUV200-650165-145*1800250UDUV200-580115-70*2400250UEUV220-40075-50*3600250UFUV/VIS250-850520600370BBVIS300-800250-200*1200500VCVIS350-750145-100*1800500VDNIR500-1050220-150*1200630NC如何选择最优的光学分辨率?光谱仪的光学分辨率定义为光谱仪所能分辨开的最小波长差。要把两个光谱线分开则至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。因为光栅决定了不同波长在探测器上可分开的程度（色散,所以光栅线对数是决

12、定光谱仪分辨率的一个非常重要的参数。另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度,它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝宽度或入射光纤芯径（当没有安装狭缝时。狭缝尺寸有:10, 25或50m1000m （高,或100, 200或500m2000m （高。在指定波长处,狭缝在探测器阵列上所成的象通常会覆盖几个象元。如果要分开两条光谱线,就必须把它们色散到这个象尺寸再加上一个象元。当使用大芯径的光纤辨率,因为这样会大大降低入射光束的宽度。时,可以通过选择比光纤芯径窄的狭缝来提高光谱仪分所选光栅和入射光束的有效宽度（光纤芯径或入射狭缝 图2 半宽度的定义表3 AvaSpec-2048的分辨率表（FWHM

13、 值,单位nm 对分辨率的影响在光谱仪部分都有介绍,表3是AvaSpec-2048型光谱仪的典型分辨率。请注意,光栅的线对数越高,色散效应随波长变化就会越显著,波长越长色散效应越大,因此在最长波长处会得到最高分辨率。表3中的分辨率是FWHM 值,即最大峰值光强50%处所对应的谱线宽度（nm 。狭缝宽度（微米光栅线对数10 25 50 100 200 500 （线/毫米0.07-0.10*0.11-0.16*0.2-0.3*0.4-0.6*0.9-1.4*注于光栅;波色率越测器阵列光谱仪可以安装多种类型的探测器,目前在200-1100nm 波长范围内我们提供硅基CCD 、背照式,而当光子照射到其

14、光敏面时电荷就会被释放。在积分时间的结尾,响应速度快; 缺点:信噪比低。 48/3648型光谱仪且波长小于350nm 的应用,需要选择一种特殊的紫外增强镀膜D 探测器（AvaSpec-2048x1400-1200nm 既需要高量子效率,又需要好的信噪比和大动态:取决的起始波长长越长,光栅散越大,分辨高;探 AvaSpec CCD 、CMOS 和光电二极管阵列PDA ,在NIR （1000-2500nm 范围则使用InGaAs 阵列探测器。 1. CCD 探测器（AvaSpec-2048/3648 电荷耦合器件CCD 探测器中储存着电荷剩余的电荷就会传送到缓冲器中,然后这个信号被传送到AD 转换

15、卡。CCD 探测器由于具有自然积分的特性,因此具有非常大的动态范围,它只受暗（热电流和AD 转换卡数据处理速度的限制。3648像素CCD 具有集成的电子快门功能,因此可以达到10微秒的积分时间。 优点:像素数多（2048或3648、灵敏度高、2.深紫外增强镀膜（-DUV 对于需要使用AvaSpec-20（-DUV 。未镀膜的CCD 探测器对波长小于350nm 的光信号的响应很低,而DUV 镀膜增强了CCD 探测器在150-350nm 波长范围的响应,DUV 镀膜的弛豫时间很短（纳秒量级,因此非常适合于如激光诱导击穿光谱（LIBS 等快触发应用。3. 薄型背照式CC 对于那些在紫外区（200-3

16、50nm 和近红外区（9范围的应用,新型的薄型背照式CCD 探测器则是一个很好的选择。这种探测器是具有2048x14个像素的面阵CCD ,每一垂直列中的14个像素连接在一起以增加灵敏度并提高信噪比。具有很好的紫外和近红外灵敏度,同时具有好的信噪比和大动态范围;价格较高。 4. （象素组成的线性阵列,对于AvaSpec-128型光谱仪来说象低的电荷-电压转换效率,因此具有较低的光灵敏紫外波段灵敏度高;读出速率低、灵敏度低、成本相对较高（1024个像元。高的灵敏度。探测器包括一个CMOS 晶体管的电荷放大阵列,0nm ;敏度器像元在某一特定波长处的灵敏度定义为照射到该像元上的单位辐射能量（光子所产

17、生的电信号强度。光谱仪光学平台的结构设装在探测器阵列上。这个的灵敏度是针对目前用于紫外/可见范围的带16位AD 卡的AvaSpec 系列光谱仪的探测器,单位是PDA 光电二极管阵列（AvaSpec-128硅光电二极管阵列是一个由多个二极管单元元数是128。每个像元都包括一个P/N 结（正掺杂的P 区和负掺杂的N 区。当信号光照射到光电二极管上时,电子就会被激发并输出电信号。大部分光电二极管阵列都包括读出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。 在近红外区灵敏度高,响应速度快;像元数较少、在紫外波段没有响应。 5. CMOS 线性成像传感器（AvaSpec-256/1024所谓的CMOS 线性成

18、像传感器比CCD 阵列传感器具有较度,但却具有较高的信噪比。CMOS 比NMOS 的转换增益高,而且内部读出电路中有箝位电路,可以把噪声抑制到一个很低的水平。信噪比高、6. InGaAs 线性成像传感器（AvaSpec-NIR256InGaAs 线性成像传感器在近红外波长区域有着极一个移位寄存器和一个时序产生模块。Avantes 公司有多种InGaAs 探测器供用户选择: 256像素非致冷型InGaAs 探测器,波长范围900-1750nm ; 256像素2级致冷型扩展InGaAs 探测器,波长范围1000-200 256像素2级致冷型扩展InGaAs 探测器,波长范围1000-2200nm

19、; 256像素2级致冷型扩展InGaAs 探测器,波长范围1000-2500nm ; 灵 探测对于一个给定的A/D 转换卡来说,可以理解为每毫焦耳入射光能量所产生的电子记数值。入射到光谱仪中的光能量与照射到单个探测器像元上的光能量之间的关系,主要取决于计,主要影响因素有光栅的效率、入射光纤或狭缝的尺寸、光学镜片的性能、是否使用灵敏度增强透镜等。对于一个给定配置的光谱仪能够测量十的六次方（106到七次方（107的光辐射级次。表4给出了一些标准探测器的参数。作为可选项的灵敏度增强透镜（DCL 可以直接安石英透镜（如用于AvaSpec-2048/3648的DCL-UV 可以把系统的灵敏度提高3-5倍

20、（取决于所用的光纤芯径。表4中每毫秒积分时间内输出的电子记数值。为了对比不同探测器阵列,我们假设所有光谱仪都采用600线/毫米的光栅,而且不加DCL 。都选用8微米芯径的光纤,并连接到标准的AvaLight-HAL 卤钨灯上,这相当于1W 的输入光能量。表 4 探测器参数表（基于 16 位 AD 卡） 紫外/可见/近红外波段探测器光谱响应曲线 近红外波段探测器光谱响应曲线 表 5 NIR 探测器参数表 杂散光和二级衍射效应 1杂散光 杂散光是错误波长（非对应信号光波长）的光辐射照射在探测器像元上所产生的信号，杂散光的来源是： 周围环境光辐射； 光学元件缺陷所产生的散射光或非光学元件产生的反射光

21、； 不同衍射级次间的重叠； 把光谱仪安装在光密封的外壳内可以有效地消除周围环境带来的杂散光。 当光谱仪工作在探测极限时（微弱光探测），则来自于光学平台、光栅、聚焦镜的杂散光强度就决定了光谱 仪的最终探测极限。大多数光栅都是全息型光栅，杂散光很低。杂散光的测试方法是用激光束照射到光谱仪上， 然后测量远离激光波长处像元的光强。另一种方法是用卤钨灯作为光源并配合长通或带通滤光片进行测试。 AvaSpec 光谱仪典型的杂散光参数是0.05%600nm；0.1%435nm；0.1%250nm。 2二级衍射效应 对于低线对数光栅（宽可测波长范围）来说，往往会发生光栅的二级衍射光之间的重叠。这些高级次衍射光

22、 在大多数场合可以忽略不计，但在某些场合下则必须考虑。解决的方法就是把信号光限制在不可能出现级次重叠 的光谱区。具体的方法可以通过在光谱仪的 SMA 接口处安装一个长通滤光片或在探测器前面的保护窗镜上镀特 殊膜层来实现。该保护窗所镀的膜层通常是一个长通滤光片（590nm）或两个长通滤光片（350nm 和 590nm）， 取决于所选择的光栅型号及其光谱范围。 此外，除了消二级衍射效应镀膜，我们还在 SONY 2048 和 TOSHIBA 3648 探测器上加装了部分深紫外 （DUV）镀膜，目的是消除来自紫外区的二级衍射效应，并在可见区提高灵敏度和降低噪声。这种部分深紫外镀 膜对于下列型号的光栅是自动配置的： UA，200-1100nm，DUV400，只在前 400 个像素上镀膜； UB，200-700nm，DUV800，只在前 800 个像素上镀膜；