光譜測量可廣泛應用于許多不同的領域，如顏色測量、半導體領域里的測量、化學成分的濃度測量等。光譜測量的核心是物質輻射或散射、透射或反射的光攜帶了該物質的屬性和條件的信息，如化學和物理成份等參數。

光譜儀在激光領域主要有激光波長測量、激光誘導擊穿光譜和電弧等離子體光譜診斷幾個典型應用。

一、激光波長測量

隨著激光技術越來越廣泛地用于工業加工、通信、測量，以及醫療科研等領域，快捷地測量和分析激光器的光譜已經成為一種迫切需求。

通過光譜儀，我們可以方便地監測激光的波長、幅值、半寬值（FWHM）、波峰數目等參數隨時間變化的情況。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。當然，如何選擇最終仍要取決于用戶的實際需求。

01 連續激光器的波長測量

對于連續激光器來說，測量尤為簡單。運行軟件后，設置合適的積分時間，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，需要正確設置光譜儀的Smoothing及Spline設置，具體可以參照產品說明進行操作。在測量激光時應該注意的是，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

對于重復頻率比較高（比如100 Hz以上）的脈沖激光而言，可以把它當成連續激光來測量。而重復頻率比較低，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模式下工作。

03 監測激光波長隨時間變化

要監測激光波長隨時間的變化，只需要在軟件中打開 TimeSeries模塊，設置希望監測的參量，就可以看到激光波長、峰值、強度等參數隨時間變化的曲線了。軟件還能夠允許您多窗口同步工作，同時監測多個參數隨時間的變化。

AVANTES光譜儀激光波長測量示意圖

二、 激光誘導擊穿光譜應用

激光誘導擊穿光譜（LIBS）是一種原子發射光譜技術，它使用脈沖激光器在燒灼材料的同時產生等離子體。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可以應用在廢舊金屬分選、塑料分析、農藥殘留檢測、礦物分析等方面。

由于LIBS技術可以直接對材料進行分析，而不需要對材料做任何預處理，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系統能夠快速分析大量樣品。

在元素分析時，LIBS具體應用方法如下：

• 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光輻射；

• 收集輻射光并按波長色散，得到光譜數據，對光譜數據進行分析。

三、電弧等離子體光譜診斷

隨著現代焊接技術的發展，對焊接質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用。電弧光譜的應用領域包括：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。

除上述應用外，光纖光譜儀還可廣泛用于石油化工、手機屏顯、農業食品、制藥、LED、汽車、環境保護等領域。隨著我國工業智能制造概念的提出，光譜儀在這些領域中的線上應用也勢將蓬勃發展。

采購小貼士

探測器是選擇合適測量光譜系統的關鍵。在確定了需要測量的波長范圍后，根據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（200-350 nm）和近紅外區（900-1160 nm）既需要高量子效率又需要高信噪比和較大動態范圍的應用，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，可以在更短時間內獲取光譜，觸發延遲性能好并且在紫外波段靈敏度高，如果關注這些要點推薦選擇CMOS探測器的光譜儀。

InGaAs探測器在近紅外區域有著極高的靈敏度。InGaAs探測器的動態范圍受暗噪聲限制。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、通信接口等也是非常重要的參數。

作者

張志偉，北京愛萬提斯（Avantes）科技有限公司總經理，在激光及光譜領域工作了30余年具有豐富的行業經驗。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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