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光谱测量可广泛应用于许多不同的领域,如颜色测量、半导体领域里的测量、化学成分的浓度测量等。光谱测量的核心是物质辐射或散射、透射或反射的光携带了该物质的属性和条件的信息,如化学和物理成份等参数。

  

  

光谱仪在激光领域主要有激光波长测量、激光诱导击穿光谱和电弧等离子体光谱诊断几个典型应用。

  

  

一、激光波长测量

  

  

随着激光技术越来越广泛地用于工业加工、通信、测量,以及医疗科研等领域,快捷地测量和分析激光器的光谱已经成为一种迫切需求。

  

  

通过光谱仪,我们可以方便地监测激光的波长、幅值、半宽值(FWHM)、波峰数目等参数随时间变化的情况。我们甚至还可以自定义一些参量,并观察它们随时间的变化情况。我们可以选择多通道光谱仪覆盖全部的200~1100 nm波长范围,同时还可以满足高分辨率的需求,也可以选择只覆盖紫外部分、可见或近红外部分的激光光谱。当然,如何选择最终仍要取决于用户的实际需求。

  

  

01 连续激光器的波长测量

  

对于连续激光器来说,测量尤为简单。运行软件后,设置合适的积分时间,如下图所示,就可以得到一个合适的光谱图。为了使测量的激光峰值波长更为准确,需要正确设置光谱仪的Smoothing及Spline设置,具体可以参照产品说明进行操作。在测量激光时应该注意的是,由于激光功率很强,一般不会将激光直接耦合入光纤,而是先将激光打在一个屏上,然后光纤接收从屏散射出的激光信号。

  

  

02 脉冲激光器的波长测量

  

对于重复频率比较高(比如100 Hz以上)的脉冲激光而言,可以把它当成连续激光来测量。而重复频率比较低,或者个别的需要测量单脉冲的情况下,为了和激光脉冲精准同步,光谱仪最好选择在外触发模式下工作。

  

  

03 监测激光波长随时间变化

  

  

要监测激光波长随时间的变化,只需要在软件中打开 TimeSeries模块,设置希望监测的参量,就可以看到激光波长、峰值、强度等参数随时间变化的曲线了。软件还能够允许您多窗口同步工作,同时监测多个参数随时间的变化。

  

  

AVANTES光谱仪激光波长测量示意图

  

  

二、 激光诱导击穿光谱应用

  

  

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一种原子发射光谱技术,它使用脉冲激光器在烧灼材料的同时产生等离子体。对明亮的等离子体进行光谱分析就会得到样品元素成分的信息。LIBS可以应用在废旧金属分选、塑料分析、农药残留检测、矿物分析等方面。

  

  

由于LIBS技术可以直接对材料进行分析,而不需要对材料做任何预处理,所以在许多情况下,只用一个激光脉冲就可以进行样品分析,因而LIBS系统能够快速分析大量样品。

  

  

在元素分析时,LIBS具体应用方法如下:

  

  • 激光束聚焦在被测材料表面;
  • 焦点温度达到某个值时,表面材料变成等离子体并发光辐射;
  • 收集辐射光并按波长色散,得到光谱数据,对光谱数据进行分析。

  

三、电弧等离子体光谱诊断

  

  

  

随着现代焊接技术的发展,对焊接质量检测与控制越来越重要。焊接电弧光谱由于其自身信息量大、信噪比高、介入性小、测控精度高等特点,在一些场合得到成功应用。电弧光谱的应用领域包括:电弧防护、光谱法测定电弧的温度场、气体成分及浓度的测定与控制等。因此对于不同焊接参数下电弧光谱辐射及其变化特点的研究非常重要。

  

  

焊接光谱信息的采集和分析系统建议使用高分辨率、多通道(最多10个通道)光纤光谱仪,波长范围200-1100 nm,光谱分辨率(FWHM)最高可达0.05-0.06 nm,光谱采样间隔约0.02 nm。一分多光纤保证了光谱信号采集在时间和空间上的同步性。

  

  

  

除上述应用外,光纤光谱仪还可广泛用于石油化工、手机屏显、农业食品、制药、LED、汽车、环境保护等领域。随着我国工业智能制造概念的提出,光谱仪在这些领域中的线上应用也势将蓬勃发展。

  

  

采购小贴士

  

探测器是选择合适测量光谱系统的关键。在确定了需要测量的波长范围后,根据实验的测试速度和精度要求,选择合适的探测器。目前市场上常见的光谱仪探测器为CCD探测器、CMOS探测器和InGaAs探测器。

  

  

CCD探测器分为背照式和前照式;对于在紫外区(200-350 nm)和近红外区(900-1160 nm)既需要高量子效率又需要高信噪比和较大动态范围的应用,背照式CCD探测器是不错的选择,但是价格相对前照式较高。

  

  

CMOS探测器测试速度快,可以在更短时间内获取光谱,触发延迟性能好并且在紫外波段灵敏度高,如果关注这些要点推荐选择CMOS探测器的光谱仪。

  

  

InGaAs探测器在近红外区域有着极高的灵敏度。InGaAs探测器的动态范围受暗噪声限制。对于1750 nm以下的测量,探测器无需制冷;对于需要扩展至2000-2500 nm波长范围的应用,需要采用二级制冷的探测器来降低暗噪声。

  

  

除此之外,分辨率、灵敏度、杂散光、二级衍射效应、通信接口等也是非常重要的参数。

  

  

作者

  

张志伟,北京爱万提斯(Avantes)科技有限公司总经理,在激光及光谱领域工作了30余年具有丰富的行业经验。Avantes公司是微型光纤光谱仪的制造商,公司的总部位于荷兰。

  

  

☆ END ☆

  
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