光谱分析仪器分类及研究现状

本文摘抄自：光谱分析仪器分类及研究现状

光谱分析仪器(简称“光谱仪”)主要用于科学研究和生产过程中的目标光谱成分检测分析，其产品种类多、用途范围广。国外的光谱仪厂商主要有日本的横河公司、安立公司、岛津公司，美国的VIAVI公司、安捷伦公司、 赛默飞公司,加拿大EXFO公司以及德国布鲁克公司等。国内的研发生产公司主要有北京北分瑞利公司、北京普析通用仪器公司、天津港东科技公司和中电科仪器仪表有限公司等。

衍射型光谱仪

衍射型光谱仪通过基于光栅衍射的光学系 统实现分光，其关键技术包括高分辨率衍射分光技术、扫描单元控制与采样同步技术等，核 心部件是光栅、高精度码盘和精密电机。 下图所示为典型衍射型光谱仪的基本光学结 构。日本横河公司和安立公司的台式高分辨率光谱仪产品处于领先地位。在600~1700nm 波段, 其 典 型光谱分辨带宽达到0.02nm。EXFO公司和 VIAVI公司的便携式光通信应用光谱仪处于领先地位。在1250~1650nm 波段,其典型光谱带宽达到0.03nm。在国内方面,中电科仪器仪表有限公司能够量产工作在 600~1700nm 波段的台式高性能扫描光栅型光谱仪,其典型光谱带宽达到0.05nm。虽然 国产衍射型光谱仪已经取得了较好的应用推 广,但是与国际领先产品相比，在光谱带宽、波长测量准确度等技术指标方面还有一些差距，其主要原因在于技术经验积累和配套光加工装调水平的差别。

干涉型光谱仪

干涉型光谱仪通过核心干涉仪部件实现分光并结合傅里叶反演实现光谱测量,其关键技术包括干涉仪制造装调技术、扫描单元控制与光谱反演技术等,核心部件是干涉仪。下图所示为典型干涉型光谱仪的基本光学结构。国外的代表性公司有美国赛默飞公司、日本岛津公司和德国布鲁克公司,其产品性能代表了世界一流水平,在350~7800cm-1范围内的光谱分辨率可达0.25 cm-1、信噪比达到60000∶1; 国内主要有北京北分瑞利公司和天津港东科技公 司,其产品的典型光谱分辨带宽可达0.5 cm-1, 信噪比达到15000∶1。从总体上来看,与国际领先产品相比,国内干涉型光谱仪在关键技术指标方面还有一定差距。值得注意的是，在应用分析软件的功能完备性上也存在这一情况。

散射型光谱仪

散射型光谱仪通过光纤受激布里渊散射等光学效应,同时结合可调谐泵浦扫描等方式来实现光谱分析。颇具代表性的有超分辨光谱仪,其关键技术包括泵浦激光波长精细调谐技术和宽波段窄带光谱滤波技术,核心部件是可调谐光源、调制器、光放大器以及偏振控制器。下图所示为典型散射型光谱仪的基本光学结构。其中，超辨光谱仪的指标水平极高, 在O (1260~1360nm)、C (1530~1565nm)、 L(1565~1625nm)等波段可以实现0.08pm的光谱分辨带宽,远超过其他类型的光谱仪。利用光纤受激布里渊效应实现光谱选频放大测量,是一种新的光谱仪体制,值得研究人员关 注。国外已经发布了成熟的商业产品,代表企业是西班牙Aragon PhotonicsLabs公司。国内的华中科技大学已成功研制出了分辨带宽为 0.1pm 的光谱分析仪。从散射型光谱仪的部分性能指标来看,国内外水平相当,但是国内在配套核心部件方面还存在很大不足。

荧光型光谱仪 

荧光型光谱仪利用样品中含有的元素受激 发后会发出特有能量的谱线荧光,再通过检测系统实现光谱分析。它是重金属等材料成分检测的重要工具 。常见的有X射线波长色散荧光光谱仪、X射线能量色散荧光光谱仪和荧光分光光度计,其关键技术包括光源设计制造技术和光学系统设计装调技术,核心部件是 X 射线管和分光晶体(仅波长衍射型有此部件)。下图所示为典型荧光型光谱仪的基本光学结构。国外的代表性企业是日本岛津公司和日立 公司。他们位居世界领先地位,其产品采用4kW薄窗X射线管,并具备250um 微区成像 特有功能。国内有北京普析通用公司和天瑞仪器公司等,其产品采用功率为3kW 的X射线 管。从总体上来看,国内在荧光型光谱仪领域与国际领先水平还存在较大差距,尤其是在核心部件方面。

滤光片型光谱仪 

滤光片型光谱仪通过波长相关的渐变滤光片实现光谱分光,其关键技术包括渐变滤光片扫描控制技术和光谱信号采样处理技术等，核心部件是渐变滤光片和锁相放大器。下图所示为典型滤光片型光谱仪的基本光学结构。以色列CI系统公司在基于渐变滤光片的光谱仪方面处于领先地位,其产品在1~14um波段的光谱分辨带宽可以达到测量波长的2%。在国内方面,中电科仪器仪表有限公司研发出了2~ 14um 的相关产品,其光谱分辨带宽为测量波 长的 2%。需要指出的是, 国内在核心 件———渐变滤光片的材料及工艺上还存在短板。

棱镜色散型光谱仪 

棱镜色散型光谱仪基于棱镜波长色散实现光谱分光。这种技术出现较早,但是该类型光谱仪的性能也逐渐失去优势,目前市场占比很少,其关键技术包括色散棱镜设计加工技术和色散光路精密装调技术,核心部件是色散棱镜。下图所示为典型棱镜色散型光谱仪的基本光学结构。国外的代表性厂商是美国ASD公司,其产品的工作波段为350~1025nm,典型光谱带宽达到3nm,而 国内则未见有相关仪器产品。