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谈谈当前主流的微型光谱仪技术

发布时间:2015-07-31

  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。

  1、采用新型滤光技术的微型光谱仪

  声光可调滤光片(AOTF)是一种微型窄带可调滤光片,是光谱仪微型化的一个发展方向,它通过改变施加在某种晶体上的射频频率来改变通过滤光片的光波长,而通过AOTF光的强度可利用改变射频的功率进行精密、快速的调节。它的分辨率很高,目前可以达到0.0125nm,没有可动部件,波长调节速度快、灵活性高。

  美国Brimrose公司和JetPropulsion实验室联合设计一种微型电晶体NIR光谱仪。这种基于AOTF的反射型近红外微型光谱仪使用发光二极管(LED)阵列作为光源,光纤作为光波传输介质,光谱仪重量小于250克,尺寸为9.2×5.4×3.2cm,超快速(4000波长/秒),高可靠性并经过美国国防核子局的防辐射测试。

  美国HughesSantaMara研究中心研制的线性楔形光谱仪,由一个微小模状滤光片和一个阵列检测器组成,可以对多个光谱频带进行检测。模形光谱仪内有一个模形的多层薄膜介电材料构成的干扰滤光片,滤光片与两维检测器紧临,这样根据滤光片在不同位置的带通,每一列检测器可以接收不同光谱波段的能量,所以单独一个模形光谱仪可以覆盖很宽的光谱范围。但是模形光谱仪的光谱范围受到滤光片、探测器材料特性的限制,还需要使用多种阻挡滤光片。工作光谱范围分布从400nm到1030nm。该光谱仪具有线性色散率,色散率与点带宽无关,而且滤光片可以根据检测器阵列设计成不同的几何形状。

  2、利用光纤制作的微型光谱仪

  光纤传感器具有很高的传输信息容量,可以同时反映出多元成分的多维信息,并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信息等来加以分辨,真正实现多道光谱分析和复合传感器阵列的设计,达到复杂混合物中特定分析对象的检测,这是电传感器和声传感器望尘莫及的。光纤的探头直径可以小到与其传播的光波波长属于同一数量级,这样小巧的光纤探头可以直接插入那些非整直空间和无法采样的小空间(如活体组织、血管、细胞)中,对分析物进行连续检测。

  OceanOptics公司的MichaelJ.Morris等人研制一种紧凑级联光纤DIP探针微小光谱仪,该系统的设计是使用单股光纤以获得高分辨率光谱信息,对于决定液体的吸收、发射和散射,或测量pH或有毒金属浓度使用固定指示材料。光谱仪的模式限制光学设计得到很高的光通量,常规应用中可以使用50μm的光纤。

  美国Stwenistesen等人研制的便携式光纤拉曼光谱仪,可以对化学试剂鉴定盒进行非接触分析,它包括二极管激光器、中阶梯摄谱仪、电荷桐合器件(CCD)检测器和一个带有滤光涂层的光纤探针。拉曼光谱是通过使用一个带有25m光纤的EICRamanProbe探针获得的。探针输出功率在紫翠玉激光器下为80mW,而二极管激光器为137nW。这种微型拉曼光谱仪也可以用T单个活细胞的分析。

  3、集成微型光谱仪

  利用MEMS和MOEMS的微加工技术也可以制作出微型光谱仪。GayiinM.Yee等人利用微机械加工方法直接在CCD成像器件上制作衍射光栅构成集成式微型光谱仪,得到的光谱仪系统衍射效率可以达到63%,色散率为1.7mm/像元,分辨率为74.4。

  IMS(InstituteofMicrotechnology,UniversityofNe11chatel,Switzerland)制作了一种基于光MEMS技术的微型傅里叶变换光谱仪(FTS),它用一种由静电驱动的电梳执行器来完成微镜的扫描运动。测量得到执行器在38.5mm位移下的非线性为±0.5mm,在消除非线性后得到校正光谱,光谱重现率为±25nm。相位校正后在633nm波长下测量得到光谱仪的分辨率为6nm。

关键词: 谈谈当前主流的微型光谱仪技术

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