光包含多种不同的波长形式。光谱是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后，被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案。当光照射或者穿透物质时，光的性质被物质的属性调制，其反射/透射光的光谱会展现不同的变化曲线，表现为随着横坐标波长的变化，不同波长对应的光强度也随之变换。对于波长强度信息的获取与应用称之为光谱技术，可据此来分析该物质的化学/分子组成等，而能够获得光谱信息的仪器，即为光谱仪，如今光谱仪已广泛应用于农业、生物、化学、地质、食品安全、色度计算、环境检测、半导体工业等行业。

其中，光纤光谱仪使用光纤作为接受和输出光信号的介质，更具有灵活性和便携性，对样品环境要求低、体积小、内部元件封闭性更好，极大程度上促进了光谱测量技术的发展。

1   光谱仪基本知识

光谱仪的基本原理是复色光通过狭缝后，准直入射至光栅上，由于闪耀光栅的色散效应，不同颜色的光衍射角不同，将会彼此分开，最后聚焦成像在线阵CCD的不同位置。通过标定，可以通过获取对应像素的波长和强度值，得到光源的谱线信息。

由这些元件决定的光谱仪关键参数有：

波长范围：波长范围是光谱仪所能测量的波长区间，光纤光谱仪的探测区间在200-2500 nm。通常，使用CCD或CMOS探测器的光纤光谱仪范围在200-1100 nm，即包含紫外光、可见光和短波近红外光。而使用铟镓砷(InGaAs)探测器的近红外光谱仪探测范围在1000-2500 nm。光栅的刻线数及探测器的类型会影响波长范围，一般来说，宽波长范围意味着低光谱分辨率，所以用户需要在波长范围和光谱分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪 (多通道光谱仪)。

光谱分辨率：光谱分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力，是光谱仪的重要指标。高光谱分辨率可以获得更准确的谱峰位置，并能区分彼此靠近的谱峰。光谱仪分辨率取决于光栅刻线数、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。在实际中，我们通常以光谱仪测得的单个谱线的半高宽(FWHM)作为光谱仪的分辨率。

信噪比：光谱仪的信噪比定义为：光谱仪在强光照射下，接近饱和时的信号的平均值与信号偏离平均值的抖动(以标准偏差横向)的比。信噪比(S/N)描述了光谱仪把光信号转换为电信号的能力，高的信噪比有助于减小电路自身的噪声对结果的影响。需要注意的是，因为定义中没有对光源做任何限制，使用这个定义所测量到的信噪比并不能等同于用户在实际实验中所能实现的信噪比。狭缝的宽度、光栅的性能、探测器的类型以及电路设计都会影响信噪比。高衍射效率光栅和高量子效率的探测器都有利于提高光谱仪的信噪比。人为地调高前置放大电路的放大倍数(也称增益)也会提高名义上的灵敏度，但同时也放大了噪声的影响，并不一定有助于实际的测量。此外，通过增加测量的平均次数，也可以提高信噪比，它们之间是开方的关系，如平均100次，信噪比提高10倍。

动态范围：光谱仪输出的信号是0到2N-1之间的数字信号，其中N是电子设备上的模数 (A/D)转换器中的位数。N 的典型数字范围为10到16.对应最大信号强度值介于1023到65535计数之间。噪声是信号围绕平均值的随机变化，由于电子设备的噪声，峰值信号电平将在平均值附近小幅波动， 噪声可以通过随时间波动的均方根(RMS)值来衡量。SNR定义为峰值信号随时间的平均值除以同一时间内峰值信号的RMS噪声。为了获得准确的SNR结果，通常需要测量超过25-50个时间的频谱样本。在SNR测量期间，光谱仪的输入信号即光源的稳定性非常重要，否则将会导致测量错误。

线性校正度：非线性的具体表现为当保持光源强度不变时，随着积分时间的增加，探测器的响应强度与时间并不全成线性关系。所有CCD检测器对光的反应都会出现非线性。如果不加以校正，非线性将在计算归一化值(吸光度、透射率或辐照度)时产生误差。光谱仪中使用的探测器型号不同，非线性模式也不同。不同探测器的非线性程度不同，但探测器中所有像素的非线性程度相同。由于探测器中的所有像素都是一样的。因此，可以测量线性度并在软件中修正误差。

何选择合适的光纤

用户在使用光谱仪搭建系统时，要根据光谱仪参数和系统情况选择合适的光纤，用于接收光信号并且传递到光谱仪的狭缝位置。

在选择光纤时，主要考虑三个参数：第一是纤芯直径（芯径）。芯径有多种规格可选，一般有5μm、50μm、105μm、200μm、400μm、600μm等，更粗可以到1mm以上。需要注意的是，增加芯径虽然可以提高光纤前端接收到的能量，但由于前端狭缝宽度以及后端探测器感光面高度限制了光谱仪的接收能力，所以芯径并不是越粗越好。

不同的光纤芯径

多芯光纤，一端为圆形排列(用于接收)，一端为线形排列(用于耦合到光谱仪)

光纤信号耦合到狭缝

第二是光纤的工作波段和材料。光纤材料一般有高羟基(High-OH)、低羟基(Low-OH)、抗紫外光纤。不同材料的波长透过率不同，一般高羟基光纤用于紫外/可见光波段(UV/VIS)，低羟其用于近红外(NIR) 波段，紫外波段还要考虑采用特殊的抗紫外光纤，用户要根据工作波段来选择合适的光纤。

第三是光纤的数值孔径（NA）值。由于光纤的发光原理，光纤端面的出射光被限制在一定的发散角范围内，这个角度以NA值来表征。多模光纤的NA一般有0.1、0.22、0.39、0.5几种可选，以最为常见0.22NA为例，意味着光纤经过50mm后的光斑直径约为22mm，100mm后的直径为44mm。光纤光谱仪厂商在设计光谱仪时也通常考虑尽量匹配光纤的NA值0.22.以保证能量尽可能地接收。另外，光纤的NA值还关系到——当光纤前端有透镜耦合时，透镜的NA值要尽量和光纤的NA值匹配，避免光信号的损失。

光纤的NA值决定了光纤的光束发散角

光纤在和透镜或凹面镜配合时，NA值要尽量匹配，避免能量损失

光纤光谱仪的NA值参数代表了光谱仪可以接收的角度。如果信号光入射NA(即入射光纤NA)小于或等于光谱仪的NA，表示入射的信号会被全利用，如果信号光入射NA大于光谱仪NA值，表示存在一部分能量损失。鉴知的透射光谱仪系列有较大的数值孔径，NA值为0.25.可以全接收0.22NA的多模光纤信号。

光谱仪的NA值即内部凹面反射镜的NA值

用户在收集光信号时，除了利用光纤传导以外，还可以采用自由空间光耦合的方法，即利用透镜将平行光汇聚到光谱仪内部。采用自由空间光路时，透镜的NA值要和光谱仪的NA值匹配，同时还要保证光谱仪的狭缝位于透镜的焦点处，以实现最大的光通量。

自由空间光路耦合

参数信息