光譜儀是一種用來(lái)測量光譜成分的科研儀器,光譜儀可以直觀(guān)地顯示一張光譜(y軸是強度,x軸是光波長(cháng)/頻率),表征著(zhù)光強隨著(zhù)光波長(cháng)的分布。不同波長(cháng)的光在光譜儀內部被分光元件分開(kāi),分光元件通常是折射棱鏡或者衍射光柵。
上圖:燈泡和太陽(yáng)光的光譜(左)、光柵和棱鏡的分光原理(右)
光譜儀用于測量各種各樣的光輻射,可以直接測光源的發(fā)射光譜,也可以測光源和物質(zhì)相互作用后的反射、吸收、透射、或者散射光譜。光和物質(zhì)相互作用后,其光譜會(huì )在某個(gè)光譜范圍或者是某個(gè)特定波長(cháng)發(fā)生變化,根據光譜的變化就可以定性或定量地分析物質(zhì)的特性,比如生物和化學(xué)上對血液及未知溶液的成分及濃度分析,以及對材料的分子、原子結構和元素組成的分析。
上圖:不同種類(lèi)油的紅外吸收光譜
光譜儀最初被發(fā)明用于物理、天文學(xué)、化學(xué)研究,目前是化學(xué)工程、材料分析、天文科學(xué)、醫學(xué)診斷和生物傳感等眾多領(lǐng)域最重要的儀器之一。17世紀,人們首次利用棱鏡發(fā)現了“光譜”,由一束白光經(jīng)過(guò)棱鏡后形成的連續彩色光帶。
上圖:艾薩克·牛頓用三棱鏡研究太陽(yáng)光譜
19世紀初,德國科學(xué)家Joseph von Fraunhofer(夫朗禾費),結合了棱鏡、衍射狹縫和望遠鏡,制作了精度和準確度較高的光譜儀,用于分析太陽(yáng)發(fā)射的光譜,首次發(fā)現了太陽(yáng)光的七色光譜并不是連續的,而是上面有多條暗線(xiàn),即著(zhù)名的“夫朗禾費線(xiàn)”,對應著(zhù)不同元素對太陽(yáng)光譜的吸收,人類(lèi)也由此知道了太陽(yáng)光的組成。同時(shí),夫朗禾費也是第一個(gè)使用衍射光柵獲得線(xiàn)光譜,并且測量譜線(xiàn)波長(cháng)的人。
上圖:早期的光譜儀,用人眼觀(guān)察
上圖:夫朗禾費線(xiàn)(彩帶中的暗線(xiàn))
上圖:太陽(yáng)光譜,向下凹部分對應著(zhù)夫朗禾費線(xiàn)
19世紀中葉,德國化學(xué)家Robert Bunsen 對各種鹽類(lèi)的燃燒火焰進(jìn)行了系統觀(guān)察,發(fā)現了焰色反應,隨后在其物理學(xué)家好友 Gustav Kirchhoff的建議下,通過(guò)觀(guān)察光譜實(shí)現對元素的定性檢驗,1860年他們發(fā)表了對八種元素光譜的發(fā)現,并確定了這些元素在幾種天然化合物中的存在,他們的研究也開(kāi)創(chuàng )了光譜分析化學(xué)的一個(gè)重要分支:光譜分析。
上圖:焰色反應
20世紀20年代,印度物理學(xué)家C.V.Raman,用光譜儀在有機溶液中發(fā)現了光和分子的非彈性散射效應,即入射光和分子相互作用后,能量會(huì )發(fā)生上移或下移,這種現象后被稱(chēng)作拉曼散射。光能量的變化量表征了分子的微觀(guān)構造,所以拉曼散射光譜目前廣泛應用于材料、醫藥、化工等行業(yè),用于鑒定和分析物質(zhì)的分子類(lèi)型及分子結構。
上圖:入射光與分子作用后能量發(fā)生了上移和下移
20世紀30年代,美國科學(xué)家Beckman博士首次提出單獨測量每個(gè)波長(cháng)的紫外光譜吸收,繪制出完整的吸收光譜,從而揭示溶液中的化學(xué)物質(zhì)類(lèi)型和濃度。這種透射吸收光路由光源、光譜儀、樣品組成,目前大多數溶液的成分和濃度探測都是基于這種透射吸收光譜。
上圖:吸光度檢測原理——光源-準直-分光-狹縫-溶液-探測器
20 世紀 40 年代,第一臺直讀光譜儀被發(fā)明,首次采用光電倍增管和電子器件替代了傳統的人眼觀(guān)察或照相膠片,可以直接讀出光譜強度,光譜儀作為科學(xué)儀器在使用便捷性、定量測量、以及靈敏度等方面有了顯著(zhù)的提升。
20世紀中后期,光譜儀技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)光電半導體材料和器件的發(fā)展。1969年,貝爾實(shí)驗室的 Willard Boyle 和 George Smith 發(fā)明了CCD(Charge-Coupled Device),隨后由同在貝爾實(shí)驗室的Michael F. Tompsett在1970年代改進(jìn)開(kāi)發(fā)為成像應用,1980年,日本NEC的Nobukazu Teranishi發(fā)明了固定光電二極管,極大提高了圖像噪比和分辨率。1995年,NASA的Eric Fossum發(fā)明了CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)圖像傳感器,其功耗比同類(lèi)CCD圖像傳感器低100倍,生產(chǎn)成本也低得多。
20世紀90年代,隨著(zhù)微電子技術(shù)發(fā)展,光電器件的制造工藝、性能、成本都有了極大的提升,陣列式CCD、CMOS也首次應用于光譜儀。這種光譜儀可以在單次曝光下獲取全范圍光譜,相比傳統旋轉光柵的多次采集,在采集速度、小型化取得了突破進(jìn)展。相應地,光譜儀的應用領(lǐng)域也得到了極大的拓展,目前光譜儀主要用于化學(xué)分析、顏色測量、熒光光譜、激光波長(cháng)分析、LED 分選、成像和照明、傳感設備、熒光光譜、拉曼光譜等。
21世紀的前20年,各種類(lèi)型光譜儀的設計制造技術(shù)逐漸成熟和穩定,伴隨著(zhù)各行各業(yè)發(fā)展對光譜儀的需求日漸增長(cháng),光譜儀的發(fā)展也更加迅速更具行業(yè)針對性,除了常規的光學(xué)參數指標外,不同行業(yè)對光譜儀的體積大小、軟件功能、通信接口、響應速度、穩定性、乃至成本都有不同的需求,因此光譜儀有了更多的細分種類(lèi)和更加多元化的發(fā)展。
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