多功能光栅光谱仪

课程内容 光谱测量系统组成 光栅技术 光栅光谱仪原理 小结讲师介绍熊洪武，HORIBA 应用技术主管，负责光学光谱仪的应用支持，光学背景深厚，有着丰富的光学系统搭建经验。可根据用户需求提供性能优异，功能独特的的光谱测试方案，如光致发光、拉曼、荧光、透射/反射/吸收等。课程链接识别下方“二维码”即可观看我们录制好的讲解视频了，您准备好了吗？ HORIBA Optical SchoolHORIBA一直致力于为用户普及光谱基础知识，其旗下的Jobin Yvon有着近200年的光学、光谱经验，我们非常乐意与大家分享这些经验，为此特创立 Optical School（光谱学院）。无论是刚接触光谱的学生，还是希望有所建树的研究者，都能在这里找到适合的资料及课程。 我们希望通过这种分享方式，使您对光学及光谱技术有更系统、全面的了解，不断提高仪器使用水平，解决应用中的问题，进而提升科研水平，更好地探索未知世界。

2012-2021年，光谱仪器及技术突飞猛进，相关的新产品、新技术层出不穷：拉曼、近红外、激光诱导击穿光谱、太赫兹、高光谱、超快光谱、光谱成像......不仅给科研注入了新的活力，更是给企业带来了客观的经济效益。“光谱十年”之际，仪器信息网特别策划《点亮光谱仪器 “高光”时刻》系列活动，以期盘点光谱仪器及相关技术的突出成果，展现光谱仪器及相关厂商的“高光”时刻。从最简单的光学光谱模块到定制化的解决方案，HORIBA Scientific（Jobin Yvon光谱技术）旗下的光学光谱部门一直致力于光谱仪部件及集成光谱仪系统的研制和生产，可提供各种规格的单色仪、探测器、光源、附件及应用软件，可为科研人员组建高性能的光谱测量系统。本期，我们特别邀请到了HORIBA 科学仪器事业部技术支持工程师吴鹤讲述HORIBA光谱仪的“高光”时刻。HORIBA 科学仪器事业部技术支持工程师 吴鹤仪器信息网：过去十年间，哪些光谱技术的进步让您印象深刻？HORIBA：对于不同的科研人员，其具体需求也不尽相同，模块化光学光谱搭建系统凭借其高度灵活性在光谱技术研究领域占据着重要地位，针对不同的应用如拉曼、光致发光、暗场散射、时间分辨光致发光、等离子体发射、可调单色光源等可提供灵活多样的解决方案。另外，随着对微结构或材料的研究日趋广泛，模块化显微光学光谱搭建系统也应运而生，且在各个研究领域有广泛应用。仪器信息网：截至目前，贵公司有哪几款光谱仪器曾经获得“科学仪器优秀新品”奖 ？该仪器研发的背后有什么样特别的故事？ HORIBA：HORIBA Scientific（Jobin Yvon光谱技术）有着两百多年的光学光谱研究历史，顺应技术的发展、时代的进步，不断进行技术革新。Horiba的多款仪器包括拉曼、荧光、光学光谱搭建系统多次获得仪器信息网颁发的各类奖项。其中，MicOS显微光谱测量系统获得了“2013年科学仪器行业优秀新产品奖”。一般来说，采用标准显微镜与光谱仪耦合测量光谱常采用光纤耦合方式，一方面，信号损失大，耦合效率较低，另一方面，很多样品在应用显微镜测量时会遇到困难，比如：侧面发光样品或者在正置低温恒温器中的样品。在做光致发光光谱测量时，若应用多个波长激发，标准显微镜的灵活性会受到限制。MicOS开创性地将显微测量和光谱测量高效率地耦合于一体，光谱仪最多可同时接三个探测器，能与多个激发波长匹配，并且可提供物镜朝下或物镜侧向的两种配置选择，以满足不同客户的特定需求。仪器信息网：获奖产品的销售情况如何？解决了哪些关键问题？有哪些典型用户或典型的应用案例？行业影响力及用户的反馈情况如何？HORIBA：MicOS显微光谱测量系统用户遍布全球，用途多种多样，如二维材料特性研究、电致发光材料的表征、半导体材料或器件的质量检测和缺陷研究等等。MicOS将显微测量和光谱测量高效率地耦合于一体，将显微探测头直接与iHR三光栅光谱仪耦合，光谱仪最多可同时接三个探测器，使其可覆盖紫外、可见、近红外的宽光谱范围（200nm~1600nm）；能与多个激发波长匹配，灵活性极强且易于操作；内置数码相机设计，可实时观察样品；可提供物镜朝下或物镜侧向的两种配置选择，便于测量侧向发光器件或放置在正置低温恒温器中的样品；配合自动平台可进行mapping测量。MicOS系统已有很多工业用户，在工业生产中，无论是器件的研发过程还是质量检测过程，MicOS系统都发挥着十分重要的作用。仪器信息网：贵公司光谱仪器的生产工艺是如何把控的？在产品的质控及生产车间管理方面有什么独特的地方？ HORIBA：HORIBA Scientific有着十分丰富的光学光谱研究、设计和生产经验，根据客户的实际需求，既可以单独提供光谱仪、探测器、光源、以及光栅等部件，也可以提供完整的解决方案，并且对于生产的仪器都有严格的质量把控。对于单独的部件，在生产时会进行质量测试，确保部件质量，对于外购附件也同样对其质量严格把关；对于整套的系统，有标准的技术参数和验收流程，依据标准进行整体的性能测试，以保证整套系统的性能与质量。仪器信息网：未来贵公司光谱产品线的发展规划，重点发展哪些类别的光谱产品？HORIBA：HORIBA Scientific自创立以来，始终致力于科研级光学光谱产品的研发生产，顺应技术进步与时代潮流，不断创新与发展。除了模块化光学光谱部件与系统，HORIBA还提供高性能整机系统，包括拉曼光谱仪、荧光光谱仪、粒度分析仪、椭圆偏振光谱仪、射频辉光放电光谱仪（GD-OES）、等离子体共振成像仪（SPRi）、阴极荧光光谱仪、碳硫氧氮氢分析仪以及各种OEM光谱仪。涉及的应用包括材料、化学、生命科学、制药、环境、地质、能源、光伏、考古、艺术品等等，对于不同的测量及应用需求提供合适的解决方案。仪器信息网：从行业发展角度来说，您认为目前光谱仪器整体技术水平怎么样？未来最具前景的光谱仪器或者技术是什么？最具前景的应用将体现在哪些方面？HORIBA：光谱技术作为重要的分析技术，所涉领域非常广泛。目前微纳材料及显微结构的研究仍然十分热门，因此显微光谱的测量需求只增不减。另外，随着研究方向的多样化，对仪器的多功能性要求也日益增强。HORIBA Scientific的MicOS系统将显微探测头与iHR三光栅光谱仪高效耦合，配置灵活、可覆盖光谱范围宽，易于通过内置相机观察样品情况，可以进行mapping测试，是显微水平光致发光、电致发光和光调制反射光谱研究的理想选择。另外，HORIBA scientific新推出的SMS（Standard Microscope Spectroscopy Systems）是基于iHR光谱仪与标准显微镜通过定制化耦合模块(MicroSpex)集成的系统，该模块与标准显微镜耦合可适用于从深紫外到近红外的显微光谱测量，如显微拉曼、显微光致发光、暗场散射、显微时间分辨光致发光、反射/透射、电致发光等多种光谱研究，灵活性高，可根据需求进行搭建的定制化系统，为用户提供高质量光谱测量与成像。

2006年，国际两家光电子杂志Laser Focus World和Photonics Spectra的编辑曾分别主动在世界技术新闻专栏中特别介绍了复旦大学陈良尧教授课题组研发的多光栅二维折叠光谱技术，认为该技术的创新原理和方法将能够被拓广并应用于更具挑战性的高效率光谱获取和分析领域，以及推广到中远红外光谱分析领域。 　　上海市计量测试技术研究院的资深光学科学家袁海林教授也曾评论到，&ldquo 采用多光栅结构对成像光谱进行高密度折叠，在很宽的光谱区内实现高分辨率、快速和长时间可靠测量，将会成为现代光谱仪设计中一个主流技术和发展趋势&rdquo 。 　　究竟是怎样的技术让国内外一片赞誉之声?为了寻求答案，近日仪器信息网编辑采访了多光栅折叠光谱仪技术的研究者&mdash &mdash 复旦大学陈良尧教授。 复旦大学 陈良尧教授 　　&ldquo 原理性创新&rdquo 　　光谱分析仪器在科学研究和工业领域有着广泛的应用，为满足应用需求，国际上已经发展了各种类型的光谱分析原理和方法，其中最主要的是采用棱镜和光栅等光学色散元件，结合高灵敏度探测器对各种光谱(如反射、透射、吸收、散射、椭圆、荧光、拉曼等光谱)进行测量和分析。但受到光电探测器光谱响应、光栅色散和机械扫描等因素的制约，只能被迫在光谱工作区宽度、分辨率和速度等参数之间做出妥协，从而严重影响和限制了其在许多重要领域的应用。这是国际学术和产业界长期未能解决的瓶颈和难题。 　　&ldquo 传统的光栅光谱仪需要使用机械装置对色散元件进行位移和旋转，这将限制测量速度的提高，而且机械转动部件的定位精度低，可靠性差，容易在操作过程中发生故障 另外，由于国内机械加工水平所限，使得国产光栅光谱仪的机械部件精度和可靠性不高，从而影响了光谱仪的整体性能水平，&rdquo 陈良尧说，&ldquo 另外，一块光栅难以覆盖全光谱范围，衍射效率为非均匀性分布，在其光谱衍射工作区的两端效率较低，影响了仪器的信噪比质量。&rdquo 　　在长期的光谱分析研究中，为克服传统仪器的这两方面局限性困难是陈良尧当初决定研发&ldquo 多光栅折叠光谱分析仪&rdquo 的原因，他希望能够研制出一种没有任何移动部件、光谱工作区宽、测量速度快的光谱仪。基于这一想法，陈良尧于90年代末开始&ldquo 多光栅折叠光谱分析仪&rdquo 的研制。&ldquo 这是原理和方法的创新，并非是&lsquo 阳春白雪&rsquo ，它的物理概念清楚，技术可靠，易于普及推广，只不过很多人没朝这方面去想。&rdquo 　　但是，当前光谱仪技术可以说是非常成熟了，再要尝试原理性创新，可能并不像陈良尧说的那么容易。在10多年时间的持续研究努力中，陈良尧教授经历了很多，如最初虽有设想，但缺少研究经费支持，在市场上也买不到现成的关键元器件，业内对这类极具应用前景的新原理和新技术的认识也不统一等等。不过，&ldquo 梅花香自苦寒来&rdquo ，2012年，最终实现的研究成果被选为国家自然科学基金&ldquo 十一五&rdquo 优秀成果。至今已经推出了多种可供实用的样机，集成组合的光栅数也由最初的3块增加到了10块。日前，陈良尧教授的&ldquo 极高密度二维折叠光谱成像装置&rdquo 课题入选了2014年高校自然基金国家重大科研仪器研制项目。 已研制完成的二维折叠光谱分析仪的整体外形图，250mm焦距，优于0.1nm光谱分辨率，全谱测量时间小于0.1s，重约8.9公斤。 　　多光栅折叠光谱仪采用了时间并联模式的快速光谱信号获取的新原理和方法，利用二维面阵探测器的优点，在一台光谱仪中，同时满足宽光谱区、高分辨率和快速测量的三项关键功能要求。在10光栅二维折叠光谱分析仪中，是将具有不同闪耀角和色散特性的10块子构成一个光栅阵列，克服了面阵CCD信号接受面的张角限制，在200-1000nm光谱区将一维约276mm光谱探测区的近2万个光谱数据点进行二维10重折叠，快速成像在二维面阵探测器的焦平面上。由于无任何机械位移部件，使得最小的光谱获取时间仅受限制于将光谱从CCD传输到数据存储器件所需要的时间，实现了全光谱高精度快速测量和分析。 　　&ldquo 所有用到光谱测量分析的地方都可以用&rdquo 　　&ldquo 多光栅光谱是通用型光谱仪，所有用到光谱测量分析的地方都可以用，如可以应用于食品环境等领域的科研与日常检测，而且未来完全可能替代常见的紫外、红外等光谱分析仪器。&rdquo 陈良尧对多光栅光谱仪的应用前景非常乐观，&ldquo 随着高性能低成本面阵光电探测器的普及，二维折叠光谱将成为主流光谱分析技术在更多领域实现推广应用。&rdquo 　　&ldquo 而且，由于改进了传统光谱仪的一些不足，使得该仪器可以用于一些极端条件检测。&rdquo 例如：由于无任何机械转动部件，多光栅光谱仪的全谱扫描速度最快能达几毫秒至数十毫秒，所以在清华大学等离子体实验室中，能利用它在真空条件下对等离子体原子谱线进行原位全谱检测分析，在相同的实验条件下，对各种原子态谱线进行比较分析，获得较为可靠的实验数据和结果。&ldquo 并且，等离子体实验室还希望通过合作，研究该技术在真空紫外条件下的应用。&rdquo 　　多光栅光谱仪既可以作为一种标准配置的光谱仪独立使用，也可以成为一个载体&mdash &mdash 作为光谱分析仪器的核心部件，可以极大简化分析仪器的结构。&ldquo 光谱仪是光谱分析仪器的&lsquo 心脏&rsquo ，目前很多国产光学分析仪器采用的还都是传统扫描型光谱仪，如果多光栅光谱仪能够得到普及，将会显著促进国产光谱仪器的更新换代。&rdquo 　　&ldquo 探测器技术与成本亟待突破&rdquo 　　&ldquo 目前在10光栅集成的仪器中，使用的是美国PI公司的CCD面阵探测器，单价在7万美元左右。高性能光电探测器依然是限制我国先进光谱分析技术发展的瓶颈，也是成本无法降下来、难于大规模普及的主要原因。&rdquo 不过，陈良尧也高兴地说到，已有国内企业正从海外引进新一代CMOS光电传感器技术，&ldquo 我们将会成为他们产品的第一批实验室用户。&rdquo 　　另一个关键元件&mdash &mdash 光栅则可以根据具体需求，既可以购买进口产品，也可以选择国内生产的。&ldquo 我们已经在国内找到一家企业，可以研制和生产出我们所需的光栅和其他光学器件。&rdquo 　　对于下一步研发方向，陈良尧介绍到，&ldquo 当前最重要的是把研究项目做好，并努力将这一技术应用到不同领域 另外，组合的多光栅模块本身也可以成为一个产品，现在的组合光栅的方位角还需要人工调试，未来希望能够采用自动化激光准直技术，研制出已被封装好、不需要调节的光栅组，用户拿到手里可以直接使用。组合的光栅数也有可能进一步增大，由现在的3-10光栅增至40-50块光栅的组合，满足更高精度的光谱分析需求。&rdquo 　　经过持续的研究努力，多光栅光谱仪已能够被实际应用。据介绍，除了面阵探测器国内目前还做不出来，其它重要部件都实现了在自己的实验室或在国内找到企业进行加工生产。说到这里，显现出了陈良尧教授比较独特的研究态度和模式，陈良尧将项目研究经费的很大一部分用于改造实验室环境，如在高性能光学仪器研究中，将购买高精度数控机床，用于仪器核心零部件的高品质研制和加工，保证质量，这在目前中国大学的实验室还比较少，对此，陈良尧说，&ldquo 这么做一方面是希望提高科学仪器的研究水平和效率，掌握核心技术，另一方面也十分需要培养研究生们的实际动手能力，不仅进行原理和方法创新，还需要采用先进制造技术，在学生时期就有能力亲手把这些仪器做出来，可靠实现创新科学仪器的各种新功能，在这方面与发达工业化国家相比，我国在培养学生具有硬科学技术研究能力方面的差距还比较大。&rdquo 　　&ldquo 由于高性能探测器价格一直居高不下，不利于大范围普及，目前仅根据一些用户需求进行定制，需要不断解决问题，让用户满意，建立良好的声誉，&rdquo 陈良尧说到。 　　后记 　　据了解，在陈良尧教授的研究成果2003年正式发表后，2007年在美国Light Smyth公司的广告中也出现了采用4种不同光栅结构参数组合的二维折叠光谱分析技术。而关于这一中国自主创新原理和技术的产业化途径，陈良尧无奈的说到，&ldquo 产业化的路还会比较长。&rdquo 究其原因，一是关键部件技术的局限，另外国家的支持政策等也是重要原因。就像采访最后陈良尧所说的，&ldquo 希望能够获得国家较高强度的产业化应用研究项目的支持，并与工业界的合作伙伴一起，使得这项技术被产业化，促进我国高性能光谱分析仪器的进步和发展，将会在国际上有自己的地位，产生出中国乃至世界上最好的光谱仪。&rdquo 　　编辑：刘丰秋