光纖光譜儀是什么？一分鐘讀懂它的原理與結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)代科學(xué)儀器中，光譜儀是分析光的重要工具。而光纖光譜儀，作為其中的一種緊湊型分支，正在被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療、半導(dǎo)體制造、食品安全、材料分析等眾多領(lǐng)域。那么，什么是光纖光譜儀?它的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)又是怎樣的?本文將用通俗易懂的方式為你揭開(kāi)光纖光譜儀的“神秘面紗”。

一、什么是光纖光譜儀？

光纖光譜儀是一種通過(guò)光纖采集被測(cè)光源，并對(duì)其進(jìn)行光譜分解與分析的儀器。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，它能把“光”分解成不同波長(zhǎng)的成分，然后告訴你每個(gè)波長(zhǎng)有多強(qiáng)。光纖光譜儀的最大特點(diǎn)在于其小型化、高靈敏、響應(yīng)速度快，并且能靈活地通過(guò)光纖探頭進(jìn)行遠(yuǎn)程采樣和在線分析。

與傳統(tǒng)的臺(tái)式光譜儀相比，光纖光譜儀不需要復(fù)雜的光路調(diào)節(jié)和龐大的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它將“采樣、傳光、分光、探測(cè)”這幾個(gè)環(huán)節(jié)整合在一個(gè)小巧的系統(tǒng)中，極大地提升了便攜性與實(shí)用性。

二、光纖光譜儀的工作原理

要理解光纖光譜儀的工作原理，先要知道“光譜”是什么。光譜是光的組成成分的圖譜。不同的光，包含不同波長(zhǎng)的光子，這些波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)不同的能量。比如，可見(jiàn)光的范圍大約是400納米到700納米，紫光波長(zhǎng)短，紅光波長(zhǎng)長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)光譜的分析，我們可以得知光源的物理或化學(xué)信息。

光纖光譜儀的基本原理可以簡(jiǎn)化為四個(gè)步驟：

采樣：通過(guò)一根柔性的光纖探頭，將被測(cè)樣品發(fā)出的光信號(hào)引入儀器;

傳光：光纖將光線導(dǎo)入到光譜儀內(nèi)部;

分光：內(nèi)部的光柵或棱鏡將復(fù)合光分解為不同波長(zhǎng)的單色光;

探測(cè)：分解后的光線投射到光電探測(cè)器(如CCD或CMOS)上，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出為光譜圖。

整個(gè)過(guò)程無(wú)需移動(dòng)部件，快速、高效，能夠?qū)崟r(shí)地進(jìn)行光譜檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)波段不同，光纖光譜儀可以分為可見(jiàn)光光譜儀、紫外可見(jiàn)光譜儀、近紅外光譜儀等不同類型。

三、光纖光譜儀的核心結(jié)構(gòu)組成

盡管結(jié)構(gòu)緊湊，光纖光譜儀依然包含多個(gè)精密組件。主要組成部分如下：

輸入光纖

作為系統(tǒng)的“眼睛”，輸入光纖負(fù)責(zé)將外部光線導(dǎo)入儀器。它的核心參數(shù)包括光纖芯徑、數(shù)值孔徑(NA)等，這些都會(huì)影響采樣效率和分辨率。

狹縫

光線通過(guò)狹縫進(jìn)入光譜儀，狹縫的寬度決定了系統(tǒng)的光通量和分辨率，寬狹之間往往需要在靈敏度和精度之間做平衡。

準(zhǔn)直鏡（Collimating Lens）

準(zhǔn)直鏡將從光纖出來(lái)的散射光變成平行光，送入分光元件。它是連接采樣與分光過(guò)程的關(guān)鍵中介。

光柵（Diffraction Grating）

這是整個(gè)儀器的“心臟”，用于將光線分解成不同波長(zhǎng)。常見(jiàn)的是衍射光柵，它通過(guò)不同波長(zhǎng)的光在柵線上發(fā)生不同程度的衍射，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)分離。

聚焦鏡（Focusing Lens）

聚焦鏡將被光柵分解后的不同波長(zhǎng)的光重新聚焦到探測(cè)器上，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)探測(cè)器上的不同位置。

探測(cè)器陣列（Detector）

如CCD或CMOS傳感器，將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和數(shù)字化處理后，形成可供分析的光譜數(shù)據(jù)。

信號(hào)處理模塊與數(shù)據(jù)輸出接口

最后，信號(hào)被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或終端設(shè)備上，通過(guò)軟件進(jìn)行可視化和分析。這一部分決定了用戶使用的便捷程度和分析功能的強(qiáng)弱。

四、為什么光纖光譜儀越來(lái)越受歡迎？

光纖光譜儀的成功，得益于其結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)迅速、使用靈活等特點(diǎn)。它不僅可以便攜使用，還適合集成到生產(chǎn)線、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)或戶外測(cè)量設(shè)備中，極大地拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景。

此外，隨著CMOS探測(cè)器、微型光柵和高速處理芯片的發(fā)展，現(xiàn)代光纖光譜儀已經(jīng)能夠做到高分辨率、寬波段、低功耗，并可結(jié)合AI進(jìn)行智能分析，正逐步從“實(shí)驗(yàn)室設(shè)備”走向“現(xiàn)場(chǎng)工具”。

五、結(jié)語(yǔ)

光纖光譜儀是現(xiàn)代光譜分析技術(shù)發(fā)展中的重要成果，它以小巧的身形承載了強(qiáng)大的分析能力。理解其原理和結(jié)構(gòu)，有助于我們?cè)诳蒲?、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)域更高效地使用這一工具。未來(lái)，隨著光電技術(shù)的不斷進(jìn)步，光纖光譜儀還將在更多未知的領(lǐng)域大展身手。

審核編輯 黃宇