光譜測量可廣泛應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域，如顏色測量、半導(dǎo)體領(lǐng)域里的測量、化學(xué)成分的濃度測量等。光譜測量的核心是物質(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)域主要有激光波長測量、激光誘導(dǎo)擊穿光譜和電弧等離子體光譜診斷幾個典型應(yīng)用。
一、激光波長測量
隨著激光技術(shù)越來越廣泛地用于工業(yè)加工、通信、測量，以及醫(yī)療科研等領(lǐng)域，快捷地測量和分析激光器的光譜已經(jīng)成為一種迫切需求。
通過光譜儀，我們可以方便地監(jiān)測激光的波長、幅值、半寬值（FWHM）、波峰數(shù)目等參數(shù)隨時間變化的情況。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波長范圍，同時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的實際需求。
01 連續(xù)激光器的波長測量
對于連續(xù)激光器來說，測量尤為簡單。運行軟件后，設(shè)置合適的積分時間，如下圖所示，就可以得到一個合適的光譜圖。為了使測量的激光峰值波長更為準確，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)品說明進行操作。在測量激光時應(yīng)該注意的是，由于激光功率很強，一般不會將激光直接耦合入光纖，而是先將激光打在一個屏上，然后光纖接收從屏散射出的激光信號。
02 脈沖激光器的波長測量
對于重復(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)激光來測量。而重復(fù)頻率比較低，或者個別的需要測量單脈沖的情況下，為了和激光脈沖精準同步，光譜儀最好選擇在外觸發(fā)模式下工作。
03 監(jiān)測激光波長隨時間變化
要監(jiān)測激光波長隨時間的變化，只需要在軟件中打開 TimeSeries模塊，設(shè)置希望監(jiān)測的參量，就可以看到激光波長、峰值、強度等參數(shù)隨時間變化的曲線了。軟件還能夠允許您多窗口同步工作，同時監(jiān)測多個參數(shù)隨時間的變化。
AVANTES光譜儀激光波長測量示意圖
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產(chǎn)生等離子體。對明亮的等離子體進行光譜分析就會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、礦物分析等方面。
由于LIBS技術(shù)可以直接對材料進行分析，而不需要對材料做任何預(yù)處理，所以在許多情況下，只用一個激光脈沖就可以進行樣品分析，因而LIBS系統(tǒng)能夠快速分析大量樣品。
在元素分析時，LIBS具體應(yīng)用方法如下：
激光束聚焦在被測材料表面；
焦點溫度達到某個值時，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色散，得到光譜數(shù)據(jù)，對光譜數(shù)據(jù)進行分析。
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，對焊接質(zhì)量檢測與控制越來越重要。焊接電弧光譜由于其自身信息量大、信噪比高、介入性小、測控精度高等特點，在一些場合得到成功應(yīng)用。電弧光譜的應(yīng)用領(lǐng)域包括：電弧防護、光譜法測定電弧的溫度場、氣體成分及濃度的測定與控制等。因此對于不同焊接參數(shù)下電弧光譜輻射及其變化特點的研究非常重要。
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個通道）光纖光譜儀，波長范圍200-1100 nm，光譜分辨率（FWHM）最高可達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采集在時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、手機屏顯、農(nóng)業(yè)食品、制藥、LED、汽車、環(huán)境保護等領(lǐng)域。隨著我國工業(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)用也勢將蓬勃發(fā)展。
采購小貼士
探測器是選擇合適測量光譜系統(tǒng)的關(guān)鍵。在確定了需要測量的波長范圍后，根據(jù)實驗的測試速度和精度要求，選擇合適的探測器。目前市場上常見的光譜儀探測器為CCD探測器、CMOS探測器和InGaAs探測器。
CCD探測器分為背照式和前照式；對于在紫外區(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態(tài)范圍的應(yīng)用，背照式CCD探測器是不錯的選擇，但是價格相對前照式較高。
CMOS探測器測試速度快，可以在更短時間內(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)注這些要點推薦選擇CMOS探測器的光譜儀。
InGaAs探測器在近紅外區(qū)域有著極高的靈敏度。InGaAs探測器的動態(tài)范圍受暗噪聲限制。對于1750 nm以下的測量，探測器無需制冷；對于需要擴展至2000-2500 nm波長范圍的應(yīng)用，需要采用二級制冷的探測器來降低暗噪聲。
除此之外，分辨率、靈敏度、雜散光、二級衍射效應(yīng)、通信接口等也是非常重要的參數(shù)。
作者
張志偉，北京愛萬提斯（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。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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