摘要本文指出了传统紫外可见光谱仪色散系统的不足，介绍了多通道检测器件(如CCD、CID、MOS图像传感器等)、平场凹面全息光栅、声光可调谐滤光器等新技术在色散系统小型化和固态化方面的应用，并对采用上述几种技术的小型化和固态化色散系统的性能进行了分析和研究，最后将本文新研制成的小型化和固态化系统(基于多通道检测器件与平场凹面全息光栅)与传统色散系统的性能进行了对比分析。
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
3采用多通道检测器件的小型化和固态化色散系统
多通道检测器件(如CCD、CID、M()S图像传感器等)是多像元的光电接收器件阵，与适当的光学系统配合可以接收一定光谱范围内的光谱信息，从而不必使用波长扫描机构，这样可以保证系统中没有活动部件，同时可以使系统的体积缩小。以采用传统平面光栅的交叉切尔尼一特纳(CrossedCzeny--Tuoer)色散系统为基础，在原有出射狭缝的位置上放置多通道检测器件的色散系统如图2所示。
该系统内部没有波长扫描机构等活动机械部件存在，可以实现色散系统的简单化和固态化，如果考虑以下3个方面的问题可以实现色散系统的小型化:
(l)色散系统内部的元器件尽量少(除色散元件外，物镜数量要尽可能少);
(2)元器件的体积要比较小(在满足能量有效利用的前提下，尽量缩小各种光学元器件的体积);
(3)光栅的人臂和出臂不能太长，聚焦反射镜和准直反射镜的焦距不能太长，以免影响整个系统的体积大小。
另外，随着固态多通道检测器件在光谱仪器中的应用逐渐增多，与之相配合使用的色散元件一平场凹面全息光栅也就应运而生，该光栅是在传统凹面全息光栅的基础上对原来为球面的光栅表面进行调整，以非球面代替原来的球面，从而对原来出射谱面为罗兰圆的光谱带进行了调整，保证其中一部分出射光谱面为平面，以便与接收面为平面的固态多通道检测器件配合使用，同时该光栅在设计的过程中对各种像差进行了校正多司。
本文研制成的以平场凹面全息光栅为色散元件的色散系统结构如图3所示，该系统比图2的系统更加简洁，不用准直和聚焦反射镜，只有平场凹面全息光栅和多通道检测器件，色散系统内部没有活动部件，结构非常简单，只要选择出臂或入臂比较短的光栅，就可以实现色散系统的小型化。
经过多方比较，在系统中多通道检测器件选择的是日本滨松公司的出904一1O24Q(光谱响应范围200一1l00nm，接收面长度为25.6mm，像元的高度为2.5mm)。选择合适的平场凹面全息光栅的根据如下:
(l)光栅的光谱范围要满足紫外可见光谱仪的光谱范围要求(200~800nrn);
(2)光栅的尺寸应该足够小，可以保证色散系统的体积很小;
(3)光栅出射光谱面长度要与多通道检测器件的接收面长度相匹配，最好比多通道检测器件的接收面短一点，以更有利于光谱的接收;
(4)光栅人臂和出臂的长度应该尽可能的短，可以保证色散系统的体积很小。
经过对国外现有的平场凹面全息光栅的性能进行对比分析，本文选择了JY公司的52300900平场凹面全息光栅。它的主要技术特性参数如下:光谱响应范围190~800nm;形状是方形，体积40mmX40mmX10mm;光栅的人臂长度只有77cm、出臂80cm;出射光谱长度25.4mm。为了提高研制系统的性能，在色散系统的内部安装滤色片，滤色片是为了滤除光栅2级光谱的影响(主要是短波段对长波段的影响)。
为了保证既满足能量的传输又能保证入射狭缝的宽度比较窄而使光谱带宽尽可能小，用多股光纤直接构成狭缝，其中光纤束的人射端口形状做成圆形(接口为SMA905标准接口)，而光纤出射端口的形状做成长方形直接作为人射狭缝，具体的结构形式如图4、图5所示
研制成的色散系统的最终体积大小为100mmX10mmX50mm。为了测试该小型化、固态化色散系统的性能，本文用如图6所示的光纤紫外可见光源(200~1l00mm)，接口为SMA905标准接口。
设人射狭缝的实际宽度为Fin，光谱带宽为 ，光栅的人臂长度Lin，出臂长度Lout，则人射狭缝与光谱带宽之间的关系为:
式中:入max为系统光谱范围的最大值;入min为系统光谱范围的最小值。其中的相应关系如图7所示。
本文分别采用以不同的多股光纤组合而成的宽度不同的狭缝进行了色散系统测试，得到结果如表1所示。
上述光谱带宽为测量汞灯的各个标准特征峰的光谱带宽，同时取其中的最大者作为实测结果。另外，对该色散系统的其他性能指标也进行了测试，结果如表2所示。
为了检验新研制的色散系统的实用效果，本文对其进行了透射比准确度测试，首先采用国家的标准9号透射比标准测试样片对可见区的透射比准确度进行了测试，测试结果如表3所示。
对上述测试结果分析如下，杂散光较高，这主要是由于色散系统的原理结构所致，系统内部没有出射狭缝等遮挡漫反射光的元件，虽然色散系统的内表面藻黑，但还是难免造成杂散光的偏高，这是以后需要认真研究及解决的问题。
由于色散系统的内部没有活动部件，波长重复性误差为0nm是可以预料的结果。波长准确度与波长标定时采用的算法有关，目前所有相关的设计人员使用的基本上都是二次拟合的方法，其中的特征点采用的是汞灯的标准波长点和氛灯的标准波长点，本设计中采用的就是这种方法。紫外区透射比准确度的测试(测量温度:25℃)采用国家标准的重铬酸钾(K2CR2O7)溶液进行，测试结果如表4所示。
以上所有的测量值均是3次测量结果的平均值。从以上的测量结果来看，透射比的准确度误差最大值为0.71%。
4结束语
本文指出了传统紫外可见色散系统的缺点，对采用多通道检测器件与平场凹面全息光栅的小型化色散系统的性能进行了分析，并研制了小型化、固态化的紫外可见色散系统，研究结果表明在新技术发展的支持下，紫外可见光谱仪色散系统的小型化、固态化与简单化是可行的、可用的，而且是必然的发展趋势。
参考文献
[1〕陈捷光，范世福.光学式分析仪器[M〕.北京:机械工业出版社，1989.
[2]范世福.现代分析仪器发展的前沿技术和设计思想[J〕.分析仪器，2000，1:l一4.
[3]万峰，范世福.光谱分析用多通道检测器的工作原理和选用[J].分析仪器;2003，l:19一22.
[4〕BILHORNRB，SWEEDLERJV，EPPER岌)NPM， etal.Cha馆etransferdevieedeteetorsforanalytieal opticalspeetroseop犷operationandeharaeteristies〔J〕. APpliedSpeetroseopy，1987，41(7):1114一1136.
[5]MASUDAF，N()DAH，NAMIOKAT.Designand performaneeoftoroidalholographiegrati眼s[J].分光研究，1978，27(3):211一223.
[6]阳KOL(〕VAE.Holographi。diffraetiongrati吧5for flatfieldspeetrometers[J].JournalofModernOpties，2000，47(13):2377一2389.
作者简介
万峰，男，1971年出生，博士后，主要研究方向为分析仪器。E--rnail:而ehael--wan6@hotrnail.com
