一份了解光谱仪性能指标的简易清单

光谱学测量的基础是测量光辐射与波长的对应关系。一般来说，光谱学测量的直接结果是由很多个离散的点构成曲线，每个点的横坐标（X轴）是波长，纵坐标（Y轴）是在这个波长处的强度。

一个光谱仪的性能，可以分几个大类，今天我们为大家带来的是一份了解光谱仪性能指标的简易清单，希望能够帮助到大家！

1. 波长范围

波长范围是光谱仪所能测量的波长区间。常见的光纤光谱仪的波长范围是400nm-1100nm，也就是可以探测可见光和一部分近红外的光。

使用新型探测器可以使这个范围拓展至200nm-2500nm，即覆盖紫外、可见和近红外波段。光栅的类型以及探测器的类型会影响波长范围。

一般来说，宽的波长范围意味着低的波长分辨率，所以用户需要在波长范围和波长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通道（多通道光谱仪）。

2. 波长分辨率

顾名思义，波长分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力，常用的光谱仪的波长分辨率大约为1nm，即可以区分间隔1nm的两条谱线。Avantes公司可以提供的高的波长分辨率为0.025nm。

波长分辨率与波长的取样间隔（数据的x坐标的间隔）是两个不同概念。一般来说，高的波长分辨率意味着窄额度波长范围 ，所以用户需要在波长范围和波长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通道（多通道光谱仪）。

3. 噪声等效功率和动态范围

当信号的值与噪声的值相当时，从噪声中分辨信号就会非常困难。一般用与噪声相当的信号的值（光谱辐照度或光谱辐亮度）来表征能一个光谱仪所能够测量的弱的光强(Y轴的MIN值)。

噪声等效功率越小，光谱仪就可以测量更弱的信号。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型等等参数都会影响噪声等效功率。

因为这些参数也会影响波长范围和波长分辨率，用户需要在这些指标间做出取舍。对探测器制冷（Avantes公司的制冷型光谱仪）有助于减小探测器的热噪音，优化探测器检测弱光的能力。

动态范围描述一个光谱仪所能够测量到的强的信号与弱的信号的比值。强的信号为光谱仪在信号不饱和情况下，所能测量的大信号值，弱的信号用上述的噪声等效功率衡量。动态范围主要受制于探测器的类型。

传统上，动态范围是影响测量方便性的一个很关键的指标，但目前大部分光纤光谱仪都可以通过调整积分时间的方式等效地扩大动态范围，因此，动态范围一般不会对用户的测量带来困扰。

4. 灵敏度与信噪比

灵敏度描述了光谱仪把光信号变成电子学信号的能力，高的灵敏度有助于减小电路本身的噪声对结果影响。

狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型以及电路的参数都会影响灵敏度。衍射效率高的光栅和量子效率高的探测器都有利于提高光谱仪的灵敏度。人为地调高前置放大电路的放大倍数也会提高名义上的灵敏度，但并不一定有助于实际的测量。

宽的狭缝会改善灵敏度，但也会降低分辨率，因此，需要用户综合考虑和权衡。 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值（以标准偏差横向）的比。

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。光谱仪的信噪比主要受探测器限制。通过光谱仪电路的平均功能累加信号，可以提高实际测量中的信噪比。

5. 干扰与稳定性

实际光谱仪与理想光谱仪的重要区别之一是其内部存在杂散光等干扰。

杂散光会影响信号的准确性，并对测量弱信号带来麻烦。特殊设计的低杂散光光路能够降低光路中的杂散光。

光谱仪的光路和探测器都不可避免地随着环境而变化，例如，环境温度的变化会导致光谱仪波长（X轴）的漂移。对光路和探测器做特殊处理能够增强光谱仪的长期稳定性。然而，这些特殊处理会增加光谱仪的硬件成本。

6. 采样速度和时序精度

光谱仪可以在一秒钟内采集约900幅完整的光谱。当需要研究在更短时间内的光谱变化时，更快速的光谱仪可以在一秒钟内采集高达8000幅光谱。

然而，这些光谱仪往往在波长分辨率等指标上不能与标准光谱仪媲美，用户也必须综合考虑各个指标。

光谱仪必须具备好的时序性能方能捕捉到很短的脉冲信号。不同类型的光谱仪的时序精度差别很大，性能好的可以到纳秒量级的时间精度，而性能差的只能到毫秒量级的时间精度。

HELIOS是一种自动飞秒瞬态吸收光谱仪。它可以匹配和各种放大的飞秒激光器使用，包括高能钛宝石放大器和高重复率镱放大器。HELIOS的设计区别于传统的手动式泵浦探测系统，极大地提升了研究人员的实验体验。

系统特点：

●更宽的探测光谱范围

●为瞬态吸收优化的光谱分辨率

●8ns时间窗口，可扩展至ms

纳秒窗口是通过使用直驱高速光学延迟线来实现的。延迟线光学器件采用定制设计的支架，以提高光束对准的再现性和整体可靠性。这种延迟线具有高分辨率和高速度的特点。高速扫描非常重要，因为它允许伪随机步进，而不会显著增加实验时间。这种类型的步进对于最小化激光不稳定性和样品退化的影响非常有用。

使用EOS附加组件，标准的8 ns时间窗口可扩展到毫秒。

光延迟线参数：

时间窗口8ns

分辨率：14fs

最小步进：2.8fs

最大速度：10ns/s

自动校正时间：3-5min

光漂移量：<10um

●HELIOS最大的特点是它的自动化程度，保证了系统信号的稳定性，减少了用户经常丢失信号的烦恼。

可实现自动化光学延迟线校正

自动切换光谱范围（UV/VIS/NIR/SWIR）

自动泵浦光校正

●Helios的线阵探测器都采用了光纤的方式与光谱仪耦合

●样品架

可以选配磁力搅拌器，允许使用封闭的比色杯（≥2 mm长），并且可以使用简单的比色皿支架。平移样品支架既可以用于透射样品，也可以用于反射样品。

　　审核编辑：汤梓红