拉曼光譜儀

　　摘要✘·│₪：光纖光譜儀自從上個世紀末被髮明以來│☁，其應用越來越廣泛₪↟·。交叉式切尼-特納(Czerny-Turner│☁，簡稱C-T)光路和基本型C-T光路(M型光路)│☁，是光纖光譜儀中常見的兩種分光光路│☁，本文將詳細介紹交叉C-T光路和M型光路的基礎原理和各自的優缺點│☁，交叉C-T光路結構緊湊☁▩✘•、靈敏度較高│☁，而M型光路解析度較高☁▩✘•、雜散光效能更優₪↟·。

　　常見的微型光譜儀一般是基於光柵分光│☁，光譜儀的光學光路系統主要分為反射式和透射式系統│☁，透射式系統光學系統體積較小並且光強較強│☁，但在遠紅外到遠紫外的光譜範圍內缺少製造透鏡所需要的材料│☁，會導致測得的光譜曲線不準│☁，因此現代微型光譜儀很少採用這種結構;反射式系統適用的光譜範圍較廣│☁，雖然相比透射式系統光強較弱│☁，但反射鏡不產生色差│☁，利於獲得平直的譜面│☁，成像鏡選用反射鏡能夠保證探測器系統接收光譜的質量₪↟·。所以市面上主要以反射式光路的光譜儀為主₪↟·。

　　反射式光路中│☁，目前光纖光譜儀市場│☁，比較普遍採用的光路結構形式分為✘·│₪：基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構(非交叉式)和交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構₪↟·。基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構因其形狀酷似字母“M”│☁，因此也常被稱為M型光路結構│☁，這便是M型光路的由來₪↟·。

　　圖 1基本型切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構│☁，光路看上去像字母“M”│☁，所以也稱為M型光路₪↟·。
M型光路看上去也像阿拉伯數字“3”│☁，因此奧譜天成M型光路光譜儀的名稱均帶有3(第三位數為3)│☁，
如ATP5030☁▩✘•、ATP5034☁▩✘•、ATP3030☁▩✘•、ATP3034

　　圖 2 交叉式C-T光路結構示意圖

　　光譜儀光路的光學效能│☁，主要受數值孔徑☁▩✘•、球差☁▩✘•、像散☁▩✘•、慧差│☁，及各種像差的綜合性影響│☁，從而決定了系統的光學靈敏度☁▩✘•、雜散光和光學解析度₪↟·。

　　常見光譜儀採用球面反射鏡│☁，球差是必然存在的│☁，球面鏡無法使系統中各球差項相消│☁，交叉式和M型光路都只能校準到一定的水平│☁，球差是一種累加的方式₪↟·。M型光譜儀可透過控制相對孔徑來使球差小於像差容限│☁，從而滿足解析度的要求│☁，在設計中有選擇的縮小M型光路的數值孔徑可以比較明顯的提高解析度₪↟·。如果想更進一步的消除球差影響│☁，那麼可以採用拋物面或者自由曲面的方式來進行最佳化設計│☁，但是成本昂貴│☁，加工難度大│☁，所以目前並沒有被市場接受₪↟·。

　　交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路結構的慧差相對於M型光路來說有個相對突出的特點是│☁，慧差可以被校準到一個比較理想的數值│☁，並且得到的光譜斑點較為規整₪↟·。具體體現在對交叉式結構解析度的提升上₪↟·。

　　M型光路在像散最佳化中具有明顯的天然優勢│☁，可將像散校正到一個很低的水平₪↟·。相反的交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路在像散的校準方面比較弱│☁，使得該光路的光譜解析度較低₪↟·。

　　M型光路由於是一種相對對稱的光學結構│☁，雜散光會略微好於交叉對稱型光路│☁，但這並不會直接體現在兩種系統的雜散光終指標上₪↟·。雜散光的抑制主要還是透過外部光學陷阱│☁，內部採用吸光材質或者增加粗糙度來提高對漫反射光的吸收│☁，終達到消除雜散光效果₪↟·。

　　交叉式切尼-特納光路是由M型光路發展而來│☁，我們通常認為交叉式光路是一種摺疊式的光路│☁，所謂摺疊式就是在整體的結構尺寸和空間利用上有必然的優勢│☁，結構更緊湊合理₪↟·。M型光路則是一種展開式光路│☁，在整體的尺寸和空間利用上不及交叉式切尼-特納光路₪↟·。因交叉式光路為緊湊│☁，所以在微型光譜儀中通常採用的是就是這種交叉式光路₪↟·。而針對於解析度要求比較高的場合則更多的採用M型光路₪↟·。

　　解析度是光譜儀重要的指標之一│☁，從像差最佳化設計來看│☁，M型光路像差最佳化效果更好│☁，使得M型光路擁有更佳的解析度│☁，主要被用於高解析度光譜儀中₪↟·。而交叉式切尼-特納(Czerny-Turner)光路則用於中低解析度光譜儀中₪↟·。

表 1 M型光路和交叉式C-T型光路的對比

　　奧譜天成的光譜儀系列產品齊全│☁，依據M型光路和交叉式切尼-特納光路各自的光路特點和客戶需求│☁，設計了多款相應的儀器│☁，各自均對應不同的應用領域✘·│₪：

　　l ATP2000☁▩✘•、ATP5020☁▩✘•、ATP3040☁▩✘•、ATP5040採用了交叉型CT光路│☁，重點突出結構的緊湊性和高靈敏度;

　　l ATP3030☁▩✘•、ATP5030☁▩✘•、ATP3034☁▩✘•、ATP5034採用M型光路│☁，重點突出高解析度和低雜散光₪↟·。

　　狹縫50μm│☁，光譜儀範圍200-1000nm兩者的解析度對比₪↟·。圖3可觀察到│☁，M型光路整段解析度表現為中間好│☁，兩邊逐漸變差;交叉型光路往長波方向解析度逐漸變好₪↟·。這部分的差異主要體現在設計最佳化中│☁，可從設計中去調整不同的解析度走勢來達到設計的要求₪↟·。圖4中可看出│☁，在520nm處兩種不同光路的點列圖情況│☁，M型光路的RMS半徑值為11 μm│☁，交叉型CT光路的RMS半徑值為98 μm₪↟·。M型光路實際測試FWHM=1.3nm│☁，交叉型光路實際測試FWHM=2.5nm₪↟·。M型光譜儀解析度明顯好於交叉型光譜儀₪↟·。在實際的使用和光譜儀選擇中│☁，客戶可根據解析度☁▩✘•、雜散光☁▩✘•、靈敏度☁▩✘•、體積等幾個指標有針對性的挑選相應的光譜儀│☁，從而使得儀器與使用需求匹配₪↟·。

圖 3 奧譜天成生成的ATP2000和ATP3030

圖 4 兩種光路結構的解析度RMS spot radius對比│☁，200-1000nm波長範圍│☁，從圖中可以看出│☁，
交叉C-T型光路的光斑尺寸為75 μm│☁，而M型光路的光斑尺寸僅為3.5 μm│☁，M型光路的解析度優於交叉C-T型;(a)交叉型CT光路(該光路應用於ATP2000); (b)M型光路(該光路應用於ATP3030)

　　圖 5 200-1000nm光譜範圍│☁，兩種光路結構在520nm處的解析度對比│☁，交叉C-T型光路為98.9 μm│☁，M型光路為11 μm│☁，可知M型光路的解析度明顯優於交叉C-T型;(a) ATP2000交叉型CT光路; (b) ATP3030M型光路

表 2 奧譜天成採用M型光路的光纖光譜儀和採用交叉C-T光路的光纖光譜儀│☁，型號的第三位數字為3的均為M型光路;型號*數字為5☁▩✘•、6的│☁，探測器具有製冷₪↟·。

　　圖 6 奧譜天成的光纖光譜儀產品集