光譜儀各項性能分析

   光譜學測量的基礎是測量光輻射與波長的對應關系。一般來(lái)說，光譜學測量的直接結果是由很(hěn)多(duō)個(gè)離散的點構成曲線，每個(gè)點的橫坐(zuò)标（X軸）是波長，縱坐(zuò)标（Y軸）是在這個(gè)波長處的強度。因此，一個(gè)光譜儀的性能，可(kě)以粗略地分為(wèi)下面幾個(gè)大(dà)類：

1. 波長範圍（在X軸上(shàng)的可(kě)以測量的範圍）； 

2. 波長分辨率（在X軸上(shàng)可(kě)以分辨到什麽程度的信号變化）；

3. 噪聲等效功率和(hé)動态範圍（在Y軸上(shàng)可(kě)以測量的範圍）； 

4. 靈敏度與信噪比（在Y軸上(shàng)可(kě)以分辨到什麽程度的信号變化）；

5. 雜散光與穩定性（信号的測量是否可(kě)靠？是否可(kě)重現）； 

6. 采樣速度和(hé)時(shí)序精度（一秒(miǎo)鍾可(kě)以采集多(duō)少(shǎo)個(gè)完整的光譜？采集光譜的時(shí)刻是否？）

如果用戶對這些(xiē)性能指标有(yǒu)任何問題，請(qǐng)咨詢Avantes公司的産品工程師(shī)。

1. 波長範圍

波長範圍是光譜儀所能測量的波長區(qū)間(jiān)。常見的光纖光譜儀的波長範圍是200-1100nm，也就是可(kě)以探測紫外光、可(kě)見光和(hé)短(duǎn)波近紅外光，可(kě)以擴展至200-2500nm，覆蓋整個(gè)紫外-可(kě)見-近紅外波段。光栅及探測器(qì)的類型會(huì)影(yǐng)響波長範圍。一般來(lái)說，寬的波長範圍意味着低(dī)的光譜分辨率，所以用戶需要在波長範圍和(hé)光譜分辨率兩個(gè)參數間(jiān)做(zuò)權衡。如果同時(shí)需要寬的波長範圍和(hé)高(gāo)的波長分辨率，則需要組合使用多(duō)個(gè)光譜儀通(tōng)道(dào) （多(duō)通(tōng)道(dào)光譜儀）。

2. 光譜分辨率 

      顧名思義，光譜分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長的能力，常用的光譜儀的波長分辨率大(dà)約為(wèi)1nm（FWHM值），即可(kě)以區(qū)分間(jiān)隔1nm的兩條譜線。Avantes公司可(kě)以提供的高(gāo)光譜分辨率為(wèi)0.04nm。光譜分辨率與光譜采樣間(jiān)隔（數據在x坐(zuò)标上(shàng)的間(jiān)隔）是兩個(gè)不同概念。一般來(lái)說，高(gāo)的光譜分辨率意味着窄的波長範圍  ，所以用戶需要在波長範圍和(hé)光譜分辨率兩個(gè)參數間(jiān)做(zuò)權衡。如果同時(shí)需要寬的波長範圍和(hé)高(gāo)的光譜分辨率，則需要組合使用多(duō)個(gè)光譜儀通(tōng)道(dào)（多(duō)通(tōng)道(dào)光譜儀）。

3. 噪聲等效功率和(hé)動态範圍 

      當信号的強度值與噪聲的強度值相當時(shí)，從噪聲中分辨信号就會(huì)非常困難。一般用與噪聲相當的信号的值（光譜輻照度或光譜輻亮度）來(lái)表征能一個(gè)光譜儀所能夠測量的弱的光強(Y軸的小(xiǎo)值)。噪聲等效功率越小(xiǎo)，光譜儀就可(kě)以測量更弱的信号。狹縫的寬度、光栅的類型、探測器(qì)的類型等參數都會(huì)影(yǐng)響噪聲等效功率。因為(wèi)這些(xiē)參數也會(huì)影(yǐng)響波長範圍和(hé)波長分辨率，用戶需要在這些(xiē)指标間(jiān)做(zuò)出取舍。對探測器(qì)制(zhì)冷（Avantes公司的制(zhì)冷型光譜儀）有(yǒu)助于減小(xiǎo)探測器(qì)的熱噪聲，提高(gāo)探測器(qì)檢測弱光的能力。 

      動态範圍描述一個(gè)光譜儀所能夠測量到的強的信号與弱的信号的比值。強的信号為(wèi)光譜儀在信号不飽和(hé)情況下，測量到的大(dà)值；弱的信号用上(shàng)述的噪聲等效功率衡量。動态範圍主要受制(zhì)于探測器(qì)。動态範圍是影(yǐng)響測量方便性的一個(gè)比較關鍵的指标。目前，光纖光譜儀都是通(tōng)過調整積分時(shí)間(jiān)的方式等效地擴大(dà)動态範圍，因此，動态範圍一般不會(huì)對用戶的測量帶來(lái)困擾。 

4. 靈敏度與信噪比(S/N)

      靈敏度描述了光譜儀把光信号轉換為(wèi)電(diàn)信号的能力，高(gāo)的靈敏度有(yǒu)助于減小(xiǎo)電(diàn)路自身的噪聲對結果的影(yǐng)響。狹縫的寬度、光栅的類型、探測器(qì)的類型以及電(diàn)路闆的性能都會(huì)影(yǐng)響靈敏度。衍射效率高(gāo)的光栅和(hé)量子效率高(gāo)的探測器(qì)都有(yǒu)利于提高(gāo)光譜儀的靈敏度。人(rén)為(wèi)地調高(gāo)前置放大(dà)電(diàn)路的放大(dà)倍數（也稱增益）也會(huì)提高(gāo)名義上(shàng)的靈敏度，但(dàn)同時(shí)也放大(dà)了噪聲的影(yǐng)響，并不一定有(yǒu)助于實際的測量。寬的狹縫會(huì)改善靈敏度，但(dàn)也會(huì)降低(dī)分辨率，因此，需要用戶綜合考慮和(hé)權衡。

光譜儀的信噪比定義為(wèi)：光譜儀在強光照射下，接近飽和(hé)時(shí)的信号的平均值與信号偏離平均值的抖動（以标準偏差橫向）的比。需要注意的是，因為(wèi)定義中沒有(yǒu)對光源做(zuò)任何限制(zhì)，使用這個(gè)定義所測量到的信噪比并不能等同于用戶在實際實驗中所能實現的信噪比。光譜儀的信噪比主要受制(zhì)于探測器(qì)。此外，通(tōng)過增加測量的平均次數，也可(kě)以提高(gāo)信噪比，它們之間(jiān)是開(kāi)方的關系，如平均100次，信噪比提高(gāo)10倍。

5. 幹擾與穩定性 

      實際光譜儀與理(lǐ)想光譜儀的重要區(qū)别之一是其內(nèi)部存在雜散光等幹擾。雜散光會(huì)影(yǐng)響信号的性，并對測量弱信号帶來(lái)麻煩。超低(dī)雜散光平台（ULS）能夠降低(dī)光路中的雜散光3-5倍。

      光譜儀的光路和(hé)探測器(qì)都不可(kě)避免地随着環境而變化，例如，環境溫度的變化會(huì)導緻光譜儀波長（X軸）的漂移。對光路和(hé)探測器(qì)做(zuò)特殊處理(lǐ)能夠增強光譜儀的穩定性。然而，這些(xiē)特殊處理(lǐ)會(huì)增加光譜儀的硬件成本。

6. 采樣速度和(hé)時(shí)序精度 

      Avantes公司的标準光譜儀可(kě)以在一秒(miǎo)鍾內(nèi)采集約900幅完整的光譜。當需要研究在更短(duǎn)時(shí)間(jiān)內(nèi)的光譜變化時(shí)，更快速的光譜儀可(kě)以在一秒(miǎo)鍾內(nèi)采集高(gāo)達8000幅光譜。然而，這些(xiē)光譜儀往往在光譜分辨率等指标上(shàng)不能與标準光譜儀媲美，用戶也需綜合考慮各項指标。

      光譜儀必須具備好的時(shí)序性能方能捕捉到很(hěn)短(duǎn)的脈沖信号。不同類型的光譜儀的時(shí)序精度差别很(hěn)大(dà)，性能好的可(kě)以到納秒(miǎo)量級的時(shí)間(jiān)精度，而性能差的隻能到毫秒(miǎo)量級的時(shí)間(jiān)精度。

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