李愛俠，葉　柳，張子云，王翠平，王仁燕

(安徽大學(xué)， 安徽 合肥　230601)

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透射光譜法測量濾光片參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

李愛俠，葉柳，張子云，王翠平，王仁燕

(安徽大學(xué)， 安徽 合肥230601)

摘 要：利用海洋光纖光譜儀將光信號經(jīng)分光系統(tǒng)和CCD陣列轉(zhuǎn)換為各個波長范圍的電信號，用SpectraSuite軟件進(jìn)行分析處理，獲得相應(yīng)的光譜信號曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同濾光片的透過率曲線不同，分析了濾光片透過的波長范圍及其各自的透過率，通過各個濾光片的測試結(jié)果，了解各濾光片的應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：透射光譜法；光纖光譜儀；積分球；濾光片；透過率

采用透射光譜法測量濾光片的參數(shù)仍然是一個熱門的課題，具有重大的實(shí)用價值。透射光譜法具有測量精度高、測量范圍廣、非破壞性及一次性可同時測定薄膜的多個參數(shù)(如透過波段、透過率、截止波長、截止帶寬等)等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[1]。

光纖光譜儀作為光譜測量中最重要的器件，使用CCD來接收各個波長的數(shù)據(jù)，測量速度快，效率能得到很大程度的提高。因此廣泛應(yīng)用于光譜測量。將光纖與光纖耦合技術(shù)應(yīng)用于光譜儀，可以大大提高其穩(wěn)定性和分辨率。而微型光纖光譜儀則更具便攜性和高性價比等優(yōu)勢，使得檢測光譜的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)從內(nèi)部設(shè)定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境走向檢測實(shí)際現(xiàn)場的躍變，拓展了光譜儀的應(yīng)用范圍[2]。在實(shí)驗(yàn)室物理化學(xué)分析、臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、工業(yè)過程監(jiān)控、航空航天遙感等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，因而引起了人們廣泛的興趣[3]。自上世紀(jì)九十年代以來，微電子學(xué)領(lǐng)域中的多象元光學(xué)探測器(例如CCD，光電二極管陣列等等)制造技術(shù)迅猛發(fā)展，使得CCD器件廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域[4]。

光學(xué)透過率是所有的透光器件的重要指標(biāo)，掌握光學(xué)器件的透過率檢驗(yàn)方法可以幫助我們研究各種光學(xué)器件、系統(tǒng)的性能。光學(xué)濾光片產(chǎn)品應(yīng)用于醫(yī)療儀器、金融、冶金、照相器材，航空，航天，軍事、生化儀器，光學(xué)儀器，科研等領(lǐng)域。濾光片的主要指標(biāo)有：光譜透過率、中心波長(窄帶干涉濾光片)、半波寬、截止波長等。

本實(shí)驗(yàn)選用的光纖光譜儀使用了同樣的CCD光譜儀元件和光電二極管PDA陣列探測器，可以對整個光譜進(jìn)行快速掃描，不需要轉(zhuǎn)動光柵。選取損耗比較低的石英光纖，則可以用于傳輸相應(yīng)的光譜信號，石英光纖的連接以及耦合等的操作過程非常簡單，很容易獲得，可以很方便地搭建起由實(shí)驗(yàn)所需的鹵鎢光纖白光源、積分球、濾光片和光纖光譜儀等模塊組成的透過率曲線測量系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)裝置。我們將基于該系統(tǒng)探討利用透射光譜法測量濾光片的實(shí)驗(yàn)方法，測出吸收濾光片的透光譜線寬度。

1實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)使用鹵鎢光纖白光源準(zhǔn)直后作為照明光源，使用積分球作為勻光器，使用光纖光譜儀檢測光譜。

實(shí)驗(yàn)原理圖見圖1：

圖1　濾光片透過率測試原理圖

1.1光纖光譜儀原理與結(jié)構(gòu)

光譜儀器一般由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件(光柵或棱鏡)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測器構(gòu)成。由單色儀和探測器搭建的光譜儀中通常還包括出射狹縫，僅使整個光譜中波長范圍很窄的一部分光照射到單象元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫位置固定、寬度可調(diào)。對整個光譜的掃描時是通過旋轉(zhuǎn)光柵來完成。

本實(shí)驗(yàn)使用的微小型光纖光譜儀的測量速度非?？?，可以用于在線實(shí)時測量分析。測量的最大優(yōu)勢在于測量系統(tǒng)的模塊化和靈活性以及其快速和高效率。由于光纖光譜儀使用了光纖傳導(dǎo)光信號，屏蔽了工作環(huán)境的雜散光，提高了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以用于較惡劣環(huán)境的現(xiàn)場測試。光纖光譜儀采用的是對稱式的Czerny-Turner光學(xué)平臺，焦距為50 mm，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　光纖光譜儀結(jié)構(gòu)圖

使用鹵鎢光纖白光源作為照明光源，使用積分球作為勻光器，使用海洋光纖光譜儀USB2000+檢測光譜，測定并分析所得的光譜曲線。進(jìn)行透射測量需要的儀器有一個光纖光譜儀，一個直流調(diào)壓光纖光源，積分球，芯徑400 μm、長度為2 m的探測光纖，用于夾持光源的二維可調(diào)棱鏡臺，SpectraSuite軟件以及各種窗口(10%透光，D3，T2；2%透光，D3，T2；D3，窄帶通650 nm，厚度3；D3，窄帶通530 nm，厚度4 mm；厚度1 mm，3 mm)。實(shí)驗(yàn)中將反射探頭每端連接至合適的裝置很重要，帶有六根光纖的接口應(yīng)連接至光源，帶有單根讀取光線的接口應(yīng)連接至光譜儀，光譜儀連接至計算機(jī)USB接口。測量時要保證在反射探頭尖端到樣品的距離相同的情況下進(jìn)行所有參考和樣品測量。利用海洋光纖光譜儀將光信號經(jīng)分光系統(tǒng)和CCD陣列轉(zhuǎn)換為各個波長范圍的電信號，然后用計算機(jī)所配置的SpectraSuite軟件進(jìn)行分析處理，獲得相應(yīng)的光譜信號曲線。

因?yàn)楣庾V儀中的色散元件光柵決定了不同波長在探測器上可分開的距離，所以該色散元件是決定光纖光譜儀的分辨率大小的一個極其重要的參數(shù)。另一個重要參數(shù)是光線進(jìn)入到光纖光譜儀的光束寬度，它基本上取決于該光纖光譜儀上安裝的固定寬度的入射狹縫或光纖芯徑的規(guī)格(假如沒有安裝狹縫)。

在指定的波長范圍處，狹縫或光纖芯徑在CCD探測器陣列上所成的像通常會覆蓋幾個像元。如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到這個像尺寸再加上一個像元。當(dāng)使用大芯徑的光纖時，可以通過選擇比光纖芯徑窄的狹縫來提高光譜儀的分辨率，因?yàn)榇藭r會大大降低入射光束的寬度。光譜儀分辨率示意圖見圖3。

圖3　光譜儀分辨率示意圖

1.2濾光片

濾光片是一種能夠從白光或其他復(fù)色光分選出一定波長范圍或準(zhǔn)單色光的光學(xué)元件。單色性是濾光片的重要性能指標(biāo)，常用透光譜線寬度來描述它的透射率為最大值一半處的光譜波長范圍。濾光片按其結(jié)構(gòu)可分為兩類：吸收濾光片和干涉濾光片。吸收濾光片利用物質(zhì)對光波的選擇性吸收進(jìn)行濾光，可由有色玻璃晶體燒結(jié)多孔材料、明膠無機(jī)和有機(jī)液體以及吸收性薄膜等材料制成，是一種最常見和廣泛使用的濾光片[5]。它結(jié)構(gòu)簡單且對入射角不敏感，但由于使用的物質(zhì)有限，不能制造出在任意波長處獲得所希望帶寬的濾光片。干涉濾光片利用光的干涉原理和薄膜技術(shù)且通常由多層薄膜構(gòu)成，能制成在任意中心波長有任意帶寬的干涉濾光片，它在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。

1.3積分球原理與結(jié)構(gòu)

積分球的主要功能是作為光收集器，積分球內(nèi)均勻涂有漫反射涂層，可以高效反射200~2500 nm范圍的光線。被收集的光可以用作漫反射光源或被測光源[7]。積分球的基本原理是光通過采樣口進(jìn)入積分球，經(jīng)過多次反射后非常均勻地散射在積分球內(nèi)部。探測口與積分球側(cè)面的接口相連，該接口內(nèi)部有一個擋板，探測器只能測量到光檔板上的光，這樣就不受從采樣口進(jìn)入光的角度影響，從而避免了第一次反射光直接進(jìn)入金屬探測器[8-9]。

本實(shí)驗(yàn)采用的是內(nèi)徑50 mm的光纖式積分球，探測器是使用SMA905接口光纖將光導(dǎo)入到光纖光譜儀進(jìn)行探測，照明光源是使用光纖式的白光源使用SMA905接口與積分球連接。積分球結(jié)構(gòu)如下圖4所示：

圖4　積分球結(jié)構(gòu)示意圖

2實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理搭建實(shí)驗(yàn)平臺，基于USB2000+的透射光譜采集系統(tǒng)，主要包括USB2000+微型光纖光譜儀、積分球、白光光源、單向光纖、樣品固定架以及計算機(jī)等。連接光源、樣品夾持器、積分球和光譜儀。然后，安裝各夾持部件，并調(diào)整各器件同心等高，如圖5所示。最后，打開光譜儀測試軟件。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，其中光源的光強(qiáng)是調(diào)到了最大的光強(qiáng)，積分時間約150毫秒左右， “平均次數(shù)”和“平滑度”分別都設(shè)置為6。

圖5　透過率測試實(shí)物圖

3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1衰減片的透過率測試

首先保存參考光，即我們實(shí)驗(yàn)中使用的白光光源，點(diǎn)擊黃色燈泡狀按鈕，軟件會自動保存參考光。在暗光設(shè)置的時候，只需要將實(shí)驗(yàn)所配置的白光光源關(guān)掉就行，點(diǎn)擊黑色的燈泡狀按鈕貯存暗光參數(shù)，注意：千萬不能通過旋轉(zhuǎn)光強(qiáng)調(diào)節(jié)按鈕來關(guān)掉光源。再打開實(shí)驗(yàn)所配置的白光光源開關(guān)，在沒有加樣品時所測得圖像如圖6所示。

從圖6可以看出，波長范圍400~900 nm的透過率為100%，作為標(biāo)準(zhǔn)參考圖。接著，只需要移動Y向移動滑塊，將相應(yīng)的樣品置于光路當(dāng)中，先測10%衰減片的透過率，對測得的光譜圖，做 “平滑度”、“去除暗噪聲”處理，就可以得到平滑后的光譜曲線如圖7所示。

圖6　未加樣品時的透過率

圖7　10%衰減片測試圖

在上面的基礎(chǔ)上，同樣的方法測試白光光源通過2%衰減片光譜曲線如圖8所示。

圖8　2%衰減片測試圖

衰減片是利用物質(zhì)對光的吸收特性，制成片狀，放在光路上，可以將光強(qiáng)衰減，光通過衰減片的多少與材料種類有關(guān)，也與材料的厚度有關(guān)。一束光中含有不同的波長的光，通過這種衰減片后，不同波長均按同一比例衰減。由圖7和圖8比較，10%衰減片和2%衰減片它們對于白光光源(波長在470~780 nm)之間的透過率分別為10%和2%左右，可以根據(jù)實(shí)際用途對白光亮度的要求，選擇合適的衰減片。同時，分別將它們與圖6比較，會發(fā)現(xiàn)加了衰減片的光路，會使透過光強(qiáng)減弱，透過率有不同程度地降低。

3.2窄帶濾光片650 nm測試

不同的窄帶通濾光片裝卡在樣品測試位置。測量其在各光譜范圍內(nèi)得透過率曲線。通過軟件自帶的測量功能，測量長波通過濾光片的透過波段、透過率、截止波長、截止帶寬等參數(shù)。測試結(jié)果如圖9：

圖9　窄帶濾光片650 nm測試圖

從上圖9可以看出，外界環(huán)境對實(shí)驗(yàn)影響很小的情況下，去除暗噪聲后，650 nm的濾光片的透過率曲線呈拋物線型，在波長為663 nm左右時透過率達(dá)到最大，接近48%，光在透過650 nm濾光片時的透過波段大約在580~755 nm范圍之間。

3.3窄帶濾光片530 nm測試

將530 nm窄帶濾光片裝卡在樣品測試位置，測量其在各光譜范圍內(nèi)得透過率曲線。通過軟件自帶的測量功能，測量窄帶通濾光片的峰值透過率、半波帶寬參數(shù)。測試效果如圖10：

圖10　窄帶濾光片530 nm測試圖

由圖10可以看出，外界環(huán)境對實(shí)驗(yàn)影響很小的情況下，去除暗噪聲后，530 nm的濾光片的透過率曲線呈拋物線型，在波長為530 nm左右時透過率達(dá)到最大，接近46%，透過波長范圍大約在475 nm至600 nm之間。

由圖9和圖10可以看出，不同波長的窄帶濾光片透過率曲線都呈拋物線型，在不同的波長透過率幾乎相同，而透過的波長范圍不同。所以，在實(shí)際需要中選擇不同濾光片。

4結(jié)論

從光纖光譜儀和積分球的原理及其應(yīng)用出發(fā)，利用光譜測試軟件測量了在鹵鎢光纖白光源照明條件下各種濾光片的透過率曲線，并進(jìn)行對比討論。加了衰減片的光路，會使透過光強(qiáng)減弱，透過率有不同程度地降低，不同波長的窄帶濾光片透過率曲線都呈拋物線型，波長透過率幾乎相同，而透過的波長范圍不同。所以，在實(shí)際需要中選擇不同濾光片。

利用光纖光譜儀以及計算機(jī)所配置的SpectraSuite軟件就可以很方便的測量出濾光片的透射光譜曲線,無需特殊的裝置和儀器。測試簡單，精確度高，非接觸性，非苛刻性，因而省時、省力、省錢。此外，該方法的工作波長幾乎不受限制，可根據(jù)實(shí)際情況恰當(dāng)選擇，這就使遠(yuǎn)紫外和真空紫外區(qū)濾光片光學(xué)常數(shù)的測量成為可能。

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Experimental Study of Filters Based on Spectral Transmission Measurement

LI Ai-xia，YE Liu，ZHANG Zi-yun，WANG Cui-ping，WANG Ren-yan

(Anhui University,Hefei Anhui 230601)

Abstract：Using the ocean fiber optic spectrometer，optical signal passes through the spectral system and CCD array to be converted into electrical signals of different wavelength range,then Spectra Suite software is used to analyze and process to get the corresponding spectral signal curve.The results show that various filters have different transmittance curve.The range of wavelength and their respective transmittance are analyzed for these fibers.Through each filter test results,the field of each filter application is understood.

Key words：transmission spectra method；fiber optic spectrometer；integrating sphere；filter；transmittance

中圖分類號：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.001.019

文章編號：1007-2934(2016)01-0072-06

基金項(xiàng)目：國家基金項(xiàng)目(61275119)；安徽省級質(zhì)量工程(2014gxk008)(2014zy007)；安徽大學(xué)教研項(xiàng)目(xjjxtd1402)；安徽大學(xué)本科教育質(zhì)量提升計劃項(xiàng)目(ZLTS2015054)

收稿日期：2015-09-02