基础知识回顾：常见光谱仪类型介绍

光谱仪是一种用于分析光与物质相互作用的科学仪器，能够将复合光分解为不同波长的单色光，并记录其强度分布。

根据不同的分类标准，光谱仪可以分为多种类型，每种类型都有其独特的原理和应用。

图1 光谱仪结构原理图

按照原理分类：

1. 吸收光谱：包括紫外吸收、可见吸收、红外吸收等，用于检测样品对特定波长光的吸收情况。

2. 发射光谱：包括荧光、拉曼光谱等，用于检测样品在受激发后发射的光谱。

3. 旋光光谱：用于测量样品对偏振光的旋转能力。

按照应用分类：

1. 分子光谱：涉及分子能态改变时的吸收或发射光谱，如红外光谱、紫外可见光谱等。

2. 原子光谱：涉及原子能级变化时的吸收或发射光谱，如原子吸收光谱、原子荧光光谱等。

按照分光元件分类：

1. 棱镜光谱仪：利用棱镜作为色散元件，通过折射将不同波长的光分散开来。

2. 衍射光栅光谱仪：利用衍射光栅作为色散元件，通过衍射将不同波长的光分散开来，具有更高的分辨率。

3. 干涉光谱仪：利用干涉原理进行光谱分析，常用于高精度的光谱测量。

光谱仪分类标准较多，根据不同应用也会有不同种类以供选择；本文主要按分光元件分类，向大家简要介绍几款常见光谱仪类型及其主要应用方向。

一、棱镜光谱仪

图2 棱镜光谱仪

棱镜光谱仪是一种利用棱镜折射不同波长光的仪器，通过棱镜的折射作用，不同波长的光会以不同的角度被折射出来，从而实现光谱的分离和分析。棱镜光谱仪广泛应用于地球资源普查、环境监测、医疗器械以及自然灾害检测等领域。

图3 棱镜光谱仪结构图

棱镜光谱仪的光谱分辨率主要由以下因素决定：

在设计棱镜光谱仪时，通常会考虑色散元件的选择和优化。例如，棱镜-光栅-棱镜（PGP）组合色散元件的设计可以有效校正光谱弯曲，提高成像光谱仪的性能。此外，棱镜材料的选择也非常重要，不同材料的棱镜具有不同的色散特性，如熔融石英和CaF2材料组合的消色差棱镜组可以优化色散非线性。

棱镜光谱仪的设计还需要考虑系统的光路共轴性、色散线性度以及像差校正等因素。例如，采用三片胶合棱镜的设计可以保证中心波长无偏离，色散接近线性。另外，通过优化材料和结构，可以提高光谱分辨率和色散均匀性。

棱镜光谱仪在实际应用中，还可以结合其他光学元件和技术进行改进。例如，利用离轴校正透镜可以有效校正大视场像差和色散非线性。此外，基于组合棱镜的大视场干涉成像光谱仪可以通过偏振干涉技术扩大视场，提高光学性能。

二、衍射光栅光谱仪

衍射光栅分光方式现为目前主流光谱分光模式，奥谱天成主要采用闪耀光栅作为光谱仪分光元件，根据光栅固定与否，常见的光谱仪主要分为光纤光谱仪与光栅光谱仪。

    1. 光纤光谱仪：

图4 光纤光谱仪

光纤光谱仪内部通常采用固定光栅，通过光纤将被测光耦合到光谱仪中进行分析，利用CCD或CMOS传感器，从而获取整个光谱范围的光谱。

图5 光纤光谱仪光路构造

光纤光谱仪基本构造由光纤接头、入射狭缝、准直镜、光栅、聚焦光学系统、探测器组成。其中按内部光路系统区别，可分为反射式和透射式光纤光谱仪，反射式光路中比较普遍采用的光路结构分别为：基本型切尼-特纳(czerny-turner)光路结构(非交叉式)和交叉式切尼-特纳光路结构。

光纤光谱仪由于使用光纤进行耦合，支持灵活搭建光谱采集系统，非常便于集成到各类系统里。光纤光谱仪为“定制化”产品，对于不同场景要求，可选配不同光路结构、狭缝尺寸、光栅线数来实现光谱采集。因其模块化及高集成度，在诸如农业、生物、化学、地质考古、宝石检测、食品安全、色度计算、环境检测、医药卫生、LED检测、半导体工业、石油化工等领域都有广泛应用。

    2. 光栅光谱仪：通常利用光栅将复合光分解为不同波长的光谱线，通过旋转光栅或移动狭缝来扫描不同波长的光。

图6 一些标准的光栅光谱仪设计

这种光谱仪由于光栅可转动，且通常内部提供多个光栅，支持切换使用，具有多套光谱，因此兼顾了超宽光谱范围与超高光学分辨率，适用于需要高分辨率和高灵敏度的应用，且可灵活适应不同波段范围的场景测试。

图7 奥谱天成光栅光谱仪系列

奥谱天成深耕光谱行业多年，业已成功推出全系列光栅光谱仪产品。采用高精密电机驱动光栅 , 进行旋转扫描 , 具有波段范围宽 , 动态范围大、分辨率高、 配置灵活等特点。还可选配多种探测器 , 实现从深紫外到中远红外的各个波段范围的探测。

三、干涉光谱仪

干涉光谱仪是一种基于干涉原理进行光谱测量的仪器，其核心部件是干涉仪。干涉光谱仪通过引入入射光的相位变化并安排在所需频率处产生相干干涉，以及在所有其他频率处产生破坏性干涉来实现光谱区分。

干涉光谱仪通常利用F-P干涉仪或迈克尔逊干涉仪等结构，通过动镜的移动产生不同的光程差，从而获取干涉图。这些干涉图经过傅里叶变换后，可以得到目标物体的光谱信息。

    1. 法布里-铂罗（F-P）光谱仪：

图8 F-P腔光路示意图

    图9 探测器的成像是同心圆。反射率越高，图形越尖锐

F-P干涉仪的工作原理是利用多光束干涉现象，当入射光在两个平行反射面之间多次反射后，不同路径长度的光束会相互干涉，形成同心圆状的干涉条纹。这些条纹的精细度取决于反射面的反射率和平行度，以及腔体的长度。通过调节腔体长度或反射率，可以实现对干涉条纹的精细控制，从而达到高光谱分辨率。

特点：

    2. 傅里叶红外光谱仪（FTIR）：

傅里叶红外光谱仪主要基于迈克尔逊干涉仪，通过干涉图样来获取光谱信息。光源发出的光被分束器分成两束，分别经过样品和参考路径后重新合成，形成干涉图样，再通过傅里叶变换计算得到红外光谱图。

这种光谱仪广泛应用于材料化学键的定性和半定量分析，以及物质对红外光的吸收测量。

  性能特点：

除光纤光谱仪外，奥谱天成还供应全系列FTIR及光栅光谱仪等产品，提供多种型号，支持气体、液体、固体等各类检测需求，辐射工业、科研领域，能够支持各行业客户的应用场景。现已在LIBS、荧光光谱、化学分析、拉曼光谱、颜色测量、激光波长分析、LED分选、成像和照明、传感设备等应用为客户提供专业光谱测试方案。

由于分光原理不同，光纤光谱仪和光栅光谱仪以及FTIR在性能上各有差异，在不同的应用场景下，分别得以应用。

傅里叶红外光谱仪在分辨率、灵敏度和测量速度方面具有明显优势，而光栅/光纤光谱仪则在结构简单、成本低廉和应用广泛性方面有其独特之处。具体选择哪种仪器，欢迎咨询奥谱天成相关业务人员，根据具体的应用需求来决定。