光譜測(cè)量可廣泛應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域，如顏色測(cè)量、半導(dǎo)體領(lǐng)域里的測(cè)量、化學(xué)成分的濃度測(cè)量等。光譜測(cè)量的核心是物質(zhì)輻射或散射、透射或反射的光攜帶了該物質(zhì)的屬性和條件的信息，如化學(xué)和物理成份等參數(shù)。

光譜儀在激光領(lǐng)域主要有激光波長(zhǎng)測(cè)量、激光誘導(dǎo)擊穿光譜和電弧等離子體光譜診斷幾個(gè)典型應(yīng)用。

一、激光波長(zhǎng)測(cè)量

隨著激光技術(shù)越來(lái)越廣泛地用于工業(yè)加工、通信、測(cè)量，以及醫(yī)療科研等領(lǐng)域，快捷地測(cè)量和分析激光器的光譜已經(jīng)成為一種迫切需求。

通過(guò)光譜儀，我們可以方便地監(jiān)測(cè)激光的波長(zhǎng)、幅值、半寬值(FWHM)、波峰數(shù)目等參數(shù)隨時(shí)間變化的情況。我們甚至還可以自定義一些參量，并觀察它們隨時(shí)間的變化情況。我們可以選擇多通道光譜儀覆蓋全部的200～1100 nm波長(zhǎng)范圍，同時(shí)還可以滿足高分辨率的需求，也可以選擇只覆蓋紫外部分、可見(jiàn)或近紅外部分的激光光譜。當(dāng)然，如何選擇最終仍要取決于用戶(hù)的實(shí)際需求。

01? 連續(xù)激光器的波長(zhǎng)測(cè)量

對(duì)于連續(xù)激光器來(lái)說(shuō)，測(cè)量尤為簡(jiǎn)單。運(yùn)行軟件后，設(shè)置合適的積分時(shí)間，如下圖所示，就可以得到一個(gè)合適的光譜圖。為了使測(cè)量的激光峰值波長(zhǎng)更為準(zhǔn)確，需要正確設(shè)置光譜儀的Smoothing及Spline設(shè)置，具體可以參照產(chǎn)品說(shuō)明進(jìn)行操作。在測(cè)量激光時(shí)應(yīng)該注意的是，由于激光功率很強(qiáng)，一般不會(huì)將激光直接耦合入光纖，而是先將激光打在一個(gè)屏上，然后光纖接收從屏散射出的激光信號(hào)。

02 脈沖激光器的波長(zhǎng)測(cè)量

對(duì)于重復(fù)頻率比較高(比如100 Hz以上)的脈沖激光而言，可以把它當(dāng)成連續(xù)激光來(lái)測(cè)量。而重復(fù)頻率比較低，或者個(gè)別的需要測(cè)量單脈沖的情況下，為了和激光脈沖精準(zhǔn)同步，光譜儀最好選擇在外觸發(fā)模式下工作。

03 監(jiān)測(cè)激光波長(zhǎng)隨時(shí)間變化

要監(jiān)測(cè)激光波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化，只需要在軟件中打開(kāi) TimeSeries模塊，設(shè)置希望監(jiān)測(cè)的參量，就可以看到激光波長(zhǎng)、峰值、強(qiáng)度等參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線了。軟件還能夠允許您多窗口同步工作，同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的變化。

AVANTES光譜儀激光波長(zhǎng)測(cè)量示意圖

二、 激光誘導(dǎo)擊穿光譜應(yīng)用

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)是一種原子發(fā)射光譜技術(shù)，它使用脈沖激光器在燒灼材料的同時(shí)產(chǎn)生等離子體。對(duì)明亮的等離子體進(jìn)行光譜分析就會(huì)得到樣品元素成分的信息。LIBS可以應(yīng)用在廢舊金屬分選、塑料分析、農(nóng)藥殘留檢測(cè)、礦物分析等方面。

由于LIBS技術(shù)可以直接對(duì)材料進(jìn)行分析，而不需要對(duì)材料做任何預(yù)處理，所以在許多情況下，只用一個(gè)激光脈沖就可以進(jìn)行樣品分析，因而LIBS系統(tǒng)能夠快速分析大量樣品。

在元素分析時(shí)，LIBS具體應(yīng)用方法如下：

• 激光束聚焦在被測(cè)材料表面；

• 焦點(diǎn)溫度達(dá)到某個(gè)值時(shí)，表面材料變成等離子體并發(fā)光輻射；

• 收集輻射光并按波長(zhǎng)色散，得到光譜數(shù)據(jù)，對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

三、電弧等離子體光譜診斷

隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊接質(zhì)量檢測(cè)與控制越來(lái)越重要。焊接電弧光譜由于其自身信息量大、信噪比高、介入性小、測(cè)控精度高等特點(diǎn)，在一些場(chǎng)合得到成功應(yīng)用。電弧光譜的應(yīng)用領(lǐng)域包括：電弧防護(hù)、光譜法測(cè)定電弧的溫度場(chǎng)、氣體成分及濃度的測(cè)定與控制等。因此對(duì)于不同焊接參數(shù)下電弧光譜輻射及其變化特點(diǎn)的研究非常重要。

焊接光譜信息的采集和分析系統(tǒng)建議使用高分辨率、多通道(最多10個(gè)通道)光纖光譜儀，波長(zhǎng)范圍200-1100 nm，光譜分辨率(FWHM)最高可達(dá)0.05-0.06 nm，光譜采樣間隔約0.02 nm。一分多光纖保證了光譜信號(hào)采集在時(shí)間和空間上的同步性。

除上述應(yīng)用外，光纖光譜儀還可廣泛用于石油化工、手機(jī)屏顯、農(nóng)業(yè)食品、制藥、LED、汽車(chē)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。隨著我國(guó)工業(yè)智能制造概念的提出，光譜儀在這些領(lǐng)域中的線上應(yīng)用也勢(shì)將蓬勃發(fā)展。

采購(gòu)小貼士

探測(cè)器是選擇合適測(cè)量光譜系統(tǒng)的關(guān)鍵。在確定了需要測(cè)量的波長(zhǎng)范圍后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試速度和精度要求，選擇合適的探測(cè)器。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的光譜儀探測(cè)器為CCD探測(cè)器、CMOS探測(cè)器和InGaAs探測(cè)器。

CCD探測(cè)器分為背照式和前照式；對(duì)于在紫外區(qū)(200-350 nm)和近紅外區(qū)(900-1160 nm)既需要高量子效率又需要高信噪比和較大動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用，背照式CCD探測(cè)器是不錯(cuò)的選擇，但是價(jià)格相對(duì)前照式較高。

CMOS探測(cè)器測(cè)試速度快，可以在更短時(shí)間內(nèi)獲取光譜，觸發(fā)延遲性能好并且在紫外波段靈敏度高，如果關(guān)注這些要點(diǎn)推薦選擇CMOS探測(cè)器的光譜儀。

InGaAs探測(cè)器在近紅外區(qū)域有著極高的靈敏度。InGaAs探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍受暗噪聲限制。對(duì)于1750 nm以下的測(cè)量，探測(cè)器無(wú)需制冷；對(duì)于需要擴(kuò)展至2000-2500 nm波長(zhǎng)范圍的應(yīng)用，需要采用二級(jí)制冷的探測(cè)器來(lái)降低暗噪聲。

除此之外，分辨率、靈敏度、雜散光、二級(jí)衍射效應(yīng)、通信接口等也是非常重要的參數(shù)。

作者

張志偉，北京愛(ài)萬(wàn)提斯(Avantes)科技有限公司總經(jīng)理，在激光及光譜領(lǐng)域工作了30余年具有豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。Avantes公司是微型光纖光譜儀的制造商，公司的總部位于荷蘭。

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總結(jié)

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