紫外可见光谱仪色散系统小型化及固态化问题的研究

　　1引言

　　色散系统是光谱仪器的核心部分，它实现复色光的色散从而产生用于测量的各种单色光。传统紫外可见光谱仪采用光电倍增管等单通道检测器件实现光电转换，采用波长扫描机构实现波长扫描，配有人射狭缝和出射狭缝。这种色散系统由于内部存在活动部件从而使系统复杂，同时存在波长重复性误差;在测量时每次只能进行单波长点测量，完成整个紫外可见光谱范围内的光谱测量时间较长(要1min左右)，另外也会造成仪器体积的庞大，不利于携带及现场和野外作业.多通道检测器件(如CCD、CID、MOS图像传感器等)的迅速发展、平场凹面全息光栅的诞生、新型色散元件声光可调谐滤光器(A〔)TF)等固态电调谐器件的出现使色散系统的发展进入了小型化和固态化的新阶段图。

　　2采用的小型化和固态化色散系统

　　AOTF是20世纪70年代出现的一种新型色散元件，结构如图1所示，由声光介质、换能器阵列、声终端3部分构成。

　　超高频正弦信号加到换能器上激励出声波并射人声光介质。对于某一声波频率只有某一波数的人射光满足动量匹配条件才能产生衍射光束。当声波频率改变时，满足动量匹配条件的入射光波数也将相应改变，从而衍射光波数亦将改变，构成电调谐滤光器。衍射光的波数方程如式(l)所示:

　　式中:v和f是声波的频率和速度; 是人射光与衍射光的折射率差值;  是人射光与声波之间的夹角;um是衍射光波数。衍射光的波数与人射声波(驱动信号)的频率成正比。

　　衍射光的光谱带宽如式(2)表示，其中L为声光相互作用的长度。

　　采用AOTF的紫外可见色散系统的优点与缺点并存，主要表现如下:

　　优点:

　　(1)电调谐，通过改变驱动电信号的频率实现波长的扫描，不同波长之间能够快速转换;

　　(2)整个光谱测量范围的扫描时间很短，一般几个毫秒甚至更快，因此可以实现在线测量;

　　(3)没有活动部件，色散系统简单，减少了测量误差的来源。

　　缺点:

　　(1)驱动电路设计难度较大，需要进行超高频信号(上百兆赫兹)的功率放大;

　　(2)光谱带宽与衍射光波长的平方成正比，因此随着衍射波长的增加而增加，10nm以上，因此进行光谱测量时会造成较大测量误差，应用领域受到较大限制;

　　(3)每次只能测量一个波长，不能同时采集整个光谱范围的光谱信息。

　　在以上的3个缺点中，光谱带宽的不足(10nrn以上)是关键所在，这个缺点是器件本身固有的不足，还需要器件的设计人员进一步研究和改进