4.1 光纤光谱仪组成原理

        光纤光谱仪常用Czerny-Turner结构，入射光经狭缝后，经过镜片组后照射到光栅，光栅分光后，不同波长打在线阵探测器的不同像素上，再进行ADC转换解析成光谱曲线。内部工作原理图如下：

        1. 入射光接口。将光纤连接到光谱仪，与入口狭缝精确对准。 具有良好的位置重复性和机械强度，作为通用光学连接器，它支持8μm至2000μm的光纤直径。

        2. 狭缝。主要作用是限制进入光谱仪的光的量。光谱仪厂家一般提供多种狭缝可选，常用宽度从10μm-200μm不等。狭缝宽度在确定光谱仪分辨率和灵敏度方面至关重要，通常是狭缝越宽灵敏度越高，但光学分辨率就越小。

        3. 长通滤光片。入射口滤光一般用于过滤短波波段，当光谱仪未加消阶衍射滤光片时，可起到消阶作用。对于特定应用场景，有时为了均匀光谱曲线，也会换成特定分布的滤光片。

        4. 凹面反射镜。约束发散光，增加光程。

        5. 光栅。光谱仪最核心部件之一，用于把入射的复合光分成不同波长并反射。常用光栅有平面、凹面和全息光栅。光栅的线数越多，即单位面积刻线越密，光学分辨率就越高，但覆盖的波长范围就越窄。

        6. 凹面反射镜。约束发散光，增加光程。

        7. 消阶衍射滤光片。光栅分光后，会产生多阶光谱带，光谱仪使用一阶光谱带，但二阶或以上的高阶光谱带常会与一阶光谱带有重叠区域，如一个需要测200-800nm透射率的场景，光源发出的200-400nm的光，对应的二阶衍射光会落在400-800nm，与光源原本400-800nm的一阶光有重叠，此时必须把二阶以上的光谱带消除，才能得到正确的光谱，因此当一个光谱仪需要使用宽光谱时，就需要在探测器前加消阶衍射滤光片。

        8. 柱面镜。用于把光聚焦到探测器上，增强灵敏度。

        9. 线阵或面阵CCD探测器。光谱仪最核心部件之一，各像素一次接收不同波长的光，通过ADC转为数字量，再由软件构建成完整的光谱曲线。光谱仪的级别和价格大多是以探测器为依据。探测器最常用的是日本滨松的系列型号，也有少部分用日本索尼和日本东芝的某型号。

        综上可知，光纤光谱仪的设计目的，就是把原本入射的复合光，分成不同波长的光，用探测器读出并显示成按波长分布的曲线，因此可以通过光纤光谱仪来对入射光的成分分布做分析。

5.1 光纤光谱仪选型依据

        在光谱仪选型时，首先需要考虑的是波长范围，但并非波长范围越宽越好，还需要考虑分辨率和灵敏度。光栅和狭缝尺寸对分辨率和灵敏度有显著影响，其基本规律可以做如下总结：

        1. 光栅线数越高，光学分辨率则越高，但可覆盖的波长跨度就越短。

        2. 狭缝尺寸越大，灵敏度就越高，但光学分辨率就越低。

        3. 波长范围越宽，相对光学分辨率就越低。

        然而，分辨率和覆盖范围是此消彼长的关系，不能想着200-1100nm范围，还想有0.5nm的分辨率，同时还想要50μm狭缝的灵敏度。比如同为50μm狭缝的条件下，1200线光栅，光学分辨率约0.5nm，但覆盖跨度为320nm，对于300-600nm可用，但对于300-800nm就不够了。而600线光栅，光学分辨率约1.2nm，覆盖跨度为520nm，对于300-800nm就够用了。

        那么怎么知道什么场景选择什么样的配置呢？回答这个问题，一般从分辨率和灵敏度两个来评估，进而可得出配置怎样的光栅和狭缝。

        对于分辨率，有个简单的衡量指标，即应用场景测得的光谱图是否有明显很细的线状尖峰。如果有线状尖峰，就需要高分辨率；如果是平滑的峰，就不需要高分辨率。比如测的是LED灯，或者是有机物的透射率或反射率，这类基本都是平滑的峰，对分辨率要求不高，5-20nm的分辨率一般就可以满足需求。但如果测的是原子谱，比如汞原子、金属原子、等离子体等场景，就需要高分辨率。如果需要测激光器的半高宽，也需要高分辨率。

        对于灵敏度，需要考虑能进入光谱仪入射口的光的强弱。光谱仪的响应一般是μw级别，属于很高灵敏度的设备。但有些场景，如需要搭配积分球测透射率或反射率，或需要用积分球接收的光源，如光致发光的量子产率，因为积分球的衰减倍率非常高，导致对光谱仪的灵敏度要求也更高。