微型光纤光谱仪—交叉C-T型和M型光谱仪对比分析

发布时间:2022-09-26 04:52:01 来源:乐鱼体育最新网址 作者:乐鱼唯一地址 2022-09-15 浏览次数: 1

  摘要:光纤光谱仪自从上个世纪末被发明以来,其应用越来越广泛。交叉式切尼-特纳(czerny-turner,简称c-t)光路和基本型c-t光路(m型光路),是光纤光谱仪中最常见的两种分光光路,本文将详细介绍交叉c-t光路和m型光路的基础原理和各自的优缺点,交叉c-t光路结构紧凑、灵敏度较高,而m型光路分辨率较高、杂散光性能更优。

  常见的微型光谱仪一般是基于光栅分光,光谱仪的光学光路系统主要分为反射式和透射式系统,透射式系统光学系统体积较小并且光强较强,但在远红外到远紫外的光谱范围内缺少制造透镜所需要的材料,会导致测得的光谱曲线不准,因此现代微型光谱仪很少采用这种结构;反射式系统适用的光谱范围较广,虽然相比透射式系统光强较弱,但反射镜不产生色差,利于获得平直的谱面,成像镜选用反射镜能够保证探测器系统接收光谱的质量。所以市面上主要以反射式光路的光谱仪为主。

  反射式光路中,目前光纤光谱仪市场,比较普遍采用的光路结构形式分为: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(czerny-turner)光路结构。基本型切尼-特纳(czerny-turner)光路结构因其形状酷似字母“m”,因此也常被称为m型光路结构,这便是m型光路的由来。

  m型光路看上去也像阿拉伯数字“3”,因此奥谱天成m型光路光谱仪的名称均带有3(第三位数为3),如atp5030、atp5034、atp3030、atp3034

  光谱仪光路的光学性能,主要受数值孔径、球差、像散、慧差,及各种像差的综合性影响,从而决定了系统的光学灵敏度、杂散光和光学分辨率。

  常见光谱仪采用球面反射镜,球差是必然存在的,球面镜无法使系统中各球差项相消,交叉式和m型光路都只能校准到一定的水平,球差是一种累加的方式。m型光谱仪可通过控制相对孔径来使球差小于像差容限,从而满足分辨率的要求,在设计中有选择的缩小m型光路的数值孔径可以比较明显的提高分辨率。如果想更进一步的消除球差影响,那么可以采用抛物面或者自由曲面的方式来进行优化设计,但是成本昂贵,加工难度大,所以目前并没有被市场接受。

  交叉式切尼-特纳(czerny-turner)光路结构的慧差相对于m型光路来说有个相对突出的特点是,慧差可以被校准到一个比较理想的数值,并且得到的光谱斑点较为规整。具体体现在对交叉式结构分辨率的提升上。

  m型光路在像散优化中具有明显的天然优势,可将像散校正到一个很低的水平。相反的交叉式切尼-特纳(czerny-turner)光路在像散的校准方面比较弱,使得该光路的光谱分辨率较低。

  m型光路由于是一种相对对称的光学结构,杂散光会略微好于交叉对称型光路,但这并不会直接体现在两种系统的杂散光最终指标上。杂散光的抑制主要还是通过外部光学陷阱,内部采用吸光材质或者增加粗糙度来提高对漫反射光的吸收,最终达到消除杂散光效果。

  交叉式切尼-特纳光路是由m型光路发展而来,我们通常认为交叉式光路是一种折叠式的光路,所谓折叠式就是在整体的结构尺寸和空间利用上有必然的优势,结构更紧凑合理。m型光路则是一种展开式光路,在整体的尺寸和空间利用上不及交叉式切尼-特纳光路。因交叉式光路最为紧凑,所以在微型光谱仪中通常采用的是就是这种交叉式光路。而针对于分辨率要求比较高的场合则更多的采用m型光路。

  分辨率是光谱仪最重要的指标之一,从像差优化设计来看,m型光路像差优化效果更好,使得m型光路拥有更佳的分辨率,主要被用于高分辨率光谱仪中。而交叉式切尼-特纳(czerny-turner)光路则用于中低分辨率光谱仪中。

  奥谱天成的光谱仪系列产品齐全,依据m型光路和交叉式切尼-特纳光路各自的光路特点和客户需求,设计了多款相应的仪器,各自均对应不同的应用领域:

  。狭缝50μm,光谱仪范围200-1000nm两者的分辨率对比。图3可观察到,m型光路整段分辨率表现为中间最好,两边逐渐变差;交叉型光路往长波方向分辨率逐渐变好。这部分的差异主要体现在设计优化中,可从设计中去调整不同的分辨率走势来达到设计的要求。图4中可看出,在520nm处两种不同光路的点列图情况,m型光路的rms半径值为11 μm,交叉型ct光路的rms半径值为98 μm。m型光路实际测试fwhm=1.3nm,交叉型光路实际测试fwhm=2.5nm。m型光谱仪分辨率明显好于交叉型光谱仪。在实际的使用和光谱仪选择中,客户可根据分辨率、杂散光、灵敏度、体积等几个指标有针对性的挑选相应的光谱仪,从而使得仪器与使用需求完美匹配。

  交叉c-t型光路的光斑尺寸为75 μm,而m型光路的光斑尺寸仅为3.5 μm,m型光路的分辨率优于交叉c-t型;(a)交叉型ct光路(该光路应用于atp2000); (b)m型光路(该光路应用于atp3030)

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