光譜學(xué)測量的基礎(chǔ)是測量光輻射與波長的對應(yīng)關(guān)系。一般來說，光譜學(xué)測量的直接結(jié)果是由很多個(gè)離散的點(diǎn)構(gòu)成曲線，每個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)（X軸）是波長，縱坐標(biāo)（Y軸）是在這個(gè)波長處的強(qiáng)度。

一個(gè)光譜儀的性能，可以分幾個(gè)大類，今天我們?yōu)榇蠹規(guī)淼氖且环萘私夤庾V儀性能指標(biāo)的簡易清單，希望能夠幫助到大家！

1. 波長范圍

波長范圍是光譜儀所能測量的波長區(qū)間。常見的光纖光譜儀的波長范圍是400nm-1100nm，也就是可以探測可見光和一部分近紅外的光。

使用新型探測器可以使這個(gè)范圍拓展至200nm-2500nm，即覆蓋紫外、可見和近紅外波段。光柵的類型以及探測器的類型會(huì)影響波長范圍。

一般來說，寬的波長范圍意味著低的波長分辨率，所以用戶需要在波長范圍和波長分辨率兩個(gè)參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時(shí)需要寬的波長范圍和高的波長分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道（多通道光譜儀）。

2. 波長分辨率

顧名思義，波長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約為1nm，即可以區(qū)分間隔1nm的兩條譜線。Avantes公司可以提供的高的波長分辨率為0.025nm。

波長分辨率與波長的取樣間隔（數(shù)據(jù)的x坐標(biāo)的間隔）是兩個(gè)不同概念。一般來說，高的波長分辨率意味著窄額度波長范圍 ，所以用戶需要在波長范圍和波長分辨率兩個(gè)參數(shù)間做權(quán)衡。

如果同時(shí)需要寬的波長范圍和高的波長分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道（多通道光譜儀）。

3. 噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍

當(dāng)信號(hào)的值與噪聲的值相當(dāng)時(shí)，從噪聲中分辨信號(hào)就會(huì)非常困難。一般用與噪聲相當(dāng)?shù)男盘?hào)的值（光譜輻照度或光譜輻亮度）來表征能一個(gè)光譜儀所能夠測量的弱的光強(qiáng)(Y軸的MIN值)。

噪聲等效功率越小，光譜儀就可以測量更弱的信號(hào)。狹縫的寬度、光柵的類型、探測器的類型等等參數(shù)都會(huì)影響噪聲等效功率。

因?yàn)檫@些參數(shù)也會(huì)影響波長范圍和波長分辨率，用戶需要在這些指標(biāo)間做出取舍。對探測器制冷（Avantes公司的制冷型光譜儀）有助于減小探測器的熱噪音，優(yōu)化探測器檢測弱光的能力。

動(dòng)態(tài)范圍描述一個(gè)光譜儀所能夠測量到的強(qiáng)的信號(hào)與弱的信號(hào)的比值。強(qiáng)的信號(hào)為光譜儀在信號(hào)不飽和情況下，所能測量的大信號(hào)值，弱的信號(hào)用上述的噪聲等效功率衡量。動(dòng)態(tài)范圍主要受制于探測器的類型。

傳統(tǒng)上，動(dòng)態(tài)范圍是影響測量方便性的一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo)，但目前大部分光纖光譜儀都可以通過調(diào)整積分時(shí)間的方式等效地?cái)U(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，因此，動(dòng)態(tài)范圍一般不會(huì)對用戶的測量帶來困擾。

4. 靈敏度與信噪比

靈敏度描述了光譜儀把光信號(hào)變成電子學(xué)信號(hào)的能力，高的靈敏度有助于減小電路本身的噪聲對結(jié)果影響。

狹縫的寬度、光柵的類型、探測器的類型以及電路的參數(shù)都會(huì)影響靈敏度。衍射效率高的光柵和量子效率高的探測器都有利于提高光譜儀的靈敏度。人為地調(diào)高前置放大電路的放大倍數(shù)也會(huì)提高名義上的靈敏度，但并不一定有助于實(shí)際的測量。

寬的狹縫會(huì)改善靈敏度，但也會(huì)降低分辨率，因此，需要用戶綜合考慮和權(quán)衡。 光譜儀的信噪比定義為：光譜儀在強(qiáng)光照射下，接近飽和時(shí)的信號(hào)的平均值與信號(hào)偏離平均值的抖動(dòng)值（以標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向）的比。

需要注意的是，因?yàn)槎x中沒有對光源做任何限制，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(shí)際實(shí)驗(yàn)中所能實(shí)現(xiàn)的信噪比。光譜儀的信噪比主要受探測器限制。通過光譜儀電路的平均功能累加信號(hào)，可以提高實(shí)際測量中的信噪比。

5. 干擾與穩(wěn)定性

實(shí)際光譜儀與理想光譜儀的重要區(qū)別之一是其內(nèi)部存在雜散光等干擾。

雜散光會(huì)影響信號(hào)的準(zhǔn)確性，并對測量弱信號(hào)帶來麻煩。特殊設(shè)計(jì)的低雜散光光路能夠降低光路中的雜散光。

光譜儀的光路和探測器都不可避免地隨著環(huán)境而變化，例如，環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致光譜儀波長（X軸）的漂移。對光路和探測器做特殊處理能夠增強(qiáng)光譜儀的長期穩(wěn)定性。然而，這些特殊處理會(huì)增加光譜儀的硬件成本。

6. 采樣速度和時(shí)序精度

光譜儀可以在一秒鐘內(nèi)采集約900幅完整的光譜。當(dāng)需要研究在更短時(shí)間內(nèi)的光譜變化時(shí)，更快速的光譜儀可以在一秒鐘內(nèi)采集高達(dá)8000幅光譜。

然而，這些光譜儀往往在波長分辨率等指標(biāo)上不能與標(biāo)準(zhǔn)光譜儀媲美，用戶也必須綜合考慮各個(gè)指標(biāo)。

光譜儀必須具備好的時(shí)序性能方能捕捉到很短的脈沖信號(hào)。不同類型的光譜儀的時(shí)序精度差別很大，性能好的可以到納秒量級(jí)的時(shí)間精度，而性能差的只能到毫秒量級(jí)的時(shí)間精度。

HELIOS是一種自動(dòng)飛秒瞬態(tài)吸收光譜儀。它可以匹配和各種放大的飛秒激光器使用，包括高能鈦寶石放大器和高重復(fù)率鐿放大器。HELIOS的設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)的手動(dòng)式泵浦探測系統(tǒng)，極大地提升了研究人員的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

系統(tǒng)特點(diǎn)：

●更寬的探測光譜范圍

●為瞬態(tài)吸收優(yōu)化的光譜分辨率

●8ns時(shí)間窗口，可擴(kuò)展至ms

納秒窗口是通過使用直驅(qū)高速光學(xué)延遲線來實(shí)現(xiàn)的。延遲線光學(xué)器件采用定制設(shè)計(jì)的支架，以提高光束對準(zhǔn)的再現(xiàn)性和整體可靠性。這種延遲線具有高分辨率和高速度的特點(diǎn)。高速掃描非常重要，因?yàn)樗试S偽隨機(jī)步進(jìn)，而不會(huì)顯著增加實(shí)驗(yàn)時(shí)間。這種類型的步進(jìn)對于最小化激光不穩(wěn)定性和樣品退化的影響非常有用。

使用EOS附加組件，標(biāo)準(zhǔn)的8 ns時(shí)間窗口可擴(kuò)展到毫秒。

光延遲線參數(shù)：

時(shí)間窗口8ns

分辨率：14fs

最小步進(jìn)：2.8fs

最大速度：10ns/s

自動(dòng)校正時(shí)間：3-5min

光漂移量：<10um

●HELIOS最大的特點(diǎn)是它的自動(dòng)化程度，保證了系統(tǒng)信號(hào)的穩(wěn)定性，減少了用戶經(jīng)常丟失信號(hào)的煩惱。

可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化光學(xué)延遲線校正

自動(dòng)切換光譜范圍（UV/VIS/NIR/SWIR）

自動(dòng)泵浦光校正

●Helios的線陣探測器都采用了光纖的方式與光譜儀耦合

●樣品架

可以選配磁力攪拌器，允許使用封閉的比色杯（≥2 mm長），并且可以使用簡單的比色皿支架。平移樣品支架既可以用于透射樣品，也可以用于反射樣品。

審核編輯：湯梓紅