光谱采集系统

4.2.3　光谱采集系统

光谱采集系统包括光栅光谱仪、光电检测器、光导纤维等几个部分。光栅光谱仪具有波段范围宽，色散率和分辨率好的优点。光电检测器件可以为电荷耦合器件（CCD）、光电倍增管（PMT）、光电二极管阵列（PDA）。PMT灵敏度高，线性范围可达到10⁶数量级，但不具有空间分辨能力，若检测不同波长则要使用多个PMT。PDA波长覆盖范围窄，灵敏度比PMT低，而且暗电流和噪声大。CCD检测器具有灵敏度高、线性响应范围宽、暗电流和噪声低。目前，进行LIBS研究常用的是CCD和PMT，能用于LIBS测试的光谱仪已经逐渐增多。这里以荷兰Avantes公司和美国海洋公司生产的微型光谱仪为例进行介绍。

荷兰Avantes公司的AvaSpec多通道光纤光谱仪是用于搭建LIBS系统的良好选择之一（见图4－2）。AvaSpec多通道光纤光谱仪分AvaSpec－USB 1.1和AvaSpec－USB 2.0两种平台。

基于AvaSpec－USB 1.1平台的光纤光谱仪可以配置成1～8通道。由光谱仪主通道中电路板的微处理器控制，使得不同通道间可以实现同步采样。同步数据采样可以使光谱仪快速读出数据，并可以用来监控瞬态事件，如用光谱仪的不同通道来监测脉冲光源的同一脉冲。多通道光谱仪的各个通道都由相同类型的探测器组成（128，256，1 024或2 048像素），当然光谱仪的各个通道可以覆盖不同的波长范围或具有不同的分辨率。多通道光谱仪全部采用同一个USB接口，并使用AvaSoft软件。购买时对每个通道都要指明所用的光栅型号、波长范围和其他选件。机箱可以做成9.5in（英寸，1in＝0.025 4m）的桌面型（1～4通道）或19in的可安装型（1～8通道）（见图4－2）。

图4－2　AvaSpec多通道光纤光谱仪

AvaSpec－USB 2.0平台是一种高度模块化的新平台，它为多通道光谱仪的应用提供了最大可能的模块化。每个通道都可以选择不同的波长范围、不同的探测器种类和积分时间，覆盖很广的波长范围，而且还可以绝对保证各个通道都是同步的。AvaSpec－USB 2.0平台采用了USB 2.0总线将不同通道和计算机连接在一起，光谱仪系统的通道数可以大于8（最多可达127个通道），通过USB 2.0集线器来连接。

美国海洋公司生产的HR4000是在HR2000基础上发展的新一代高分辨率光谱仪，很适合LIBS系统搭建（见图4－3）。它采用了Toshiba的3648像元的线阵CCD，光学分辨率可达0.02nm。HR4000光谱范围为200～1 100nm，具体的光谱范围和分辨率配置取决于实际光栅和狭缝的选择。HR4000的板载微控制器使得对光谱仪的控制非常方便。通过一个30针的连接器，用户可以在软件中设置所有的光谱仪操作参数，包括控制光源、产生进程以及从外部对象获取信息等；可以访问10个用于外部设备接口的用户可编程I/O端口、一个模拟输入和一个模拟输出接口，以及一个用于触发其他设备的脉冲发生器。

图4－3　HR4000光纤光谱仪

HR4000通过USB 2.0或RS－232串口和PC、PLC或其他嵌入式系统相连。在串口模式下，HR4000需要额外的5V供电电源。每台光谱仪特有的参数被编程存储在系统的内存芯片中，可以非常方便地被光谱仪操作软件读取。采用S2000光纤光谱仪的光学平台（1″直径，4″焦距，F/4），能获得卓越的光学分辨率。

早期的LIBS研究中使用一透镜组来使激光聚焦到样品上产生等离子体，而光谱信号则由另一透镜组来接收并传输到光电检测器。这种结构对于实验室初期检测研究来说基本可行，但实际使用起来非常不方便。随着光导纤维材料的发展，产生了能用于将高能量激光束传输至待测样品表面的光纤，还能用光纤收集等离子体产生的光谱信号并传送到光谱仪中。光纤具有能量损耗低、远距离传输、抗电磁干扰、适应恶劣环境等特点。有了光纤部件配合LIBS技术，实现了能在各种环境条件下进行远程、实时检测能力。使用光纤通常有两种方式，第一种是不用光纤传输激光，而用光纤收集等离子体产生的光谱信号（见图4－1）；另一种是采用两组光纤，一组用于传送激光，另一组收集等离子体产生的光谱信号（见图4－4）。

图4－4　采用两组光纤的激光诱导击穿光谱实验装置