梯形谱仪柔性谱仪概述

网络研讨会:拉曼光谱-临床诊断的新曙光

中阶梯光栅Spectograph

一个中阶梯光栅摄谱仪使用两个色散级将光分散到两个正交方向。我们可以把它们表示为X和Y方向。梯级在法语中是梯子的意思，因此这里的含义是，由于在垂直和水平方向上的分散，光谱顺序对应于梯子的梯级。因此，光谱数据显示为2D模式，并且可以理想地用成像CCD相机这样的2D探测器捕获。

梯级光谱仪在某些方面与切尔尼·特纳光谱仪相似，但它们确实有两个色散组件，可以是两个光栅或两个棱镜，也可以是某种组合。所述两个色散元件被布置成将光分散在两个垂直或正交的方向上。因此，可以设计出同时具有高光谱分辨率和大光谱带通的梯级光谱仪。这是其关键的设计和性能特点之一Mechelle 5000光谱仪从和或技术．

这与传统的Czerny-Turner设计形成对比，后者在带通和光谱分辨率之间进行权衡:当配置系统以获得高光谱分辨率时，结果是更小的带通——类似于放大一个小尺寸的光谱窗口。在某些应用场合，需要同时具有较大的光谱带通和较高的光谱分辨率。激光诱导击穿光谱(LIBS)就是这样一个例子。LIBS是一种技术，人们可以通过使用聚焦激光产生材料的高度电离微等离子体来识别材料中的化学元素——在重组时，它会发射出大量具有材料中元素特征的原子发射线。

在大多数Echelle光谱仪的设计中，没有可移动的部件，这导致了一个健壮的设计，有助于将其纳入便携式系统和“敌对”环境中所需的系统。该系统可配置为提供方便的校准和快速分析，使其适用于“现场”类型的应用。

光学布局

图1显示了光学布局的米歇尔5000摄谱仪安多科技的设计。

可以看出，这是一个离轴设计。与Czerny-Turner设计一样，离轴几何图形将遭受像差，如彗差，这将损害性能，除非设计包含对抗这种影响的功能。Mechelle有几个光学元件，旨在最大限度地减少像差的影响。这确保了对应于每个单独波长的点在输出焦平面上得到很好的聚焦——这是确保a)良好分辨率和b)相邻光谱顺序之间最小的串扰或光谱污染的关键要求。

安多公司推出了一项专利设计，该设计引入了两个校正透镜，可以纠正这些像差。

该设计的另一个独特之处是采用了双组份棱镜，而不是常用的单件棱镜设计。由两个折射率略有不同的棱镜组成的双片棱镜将第一个色散阶段的光分散到焦平面上下的光谱级，如图2所示。单棱镜的光谱顺序趋于接近，因为一个移动到光谱范围的近红外区域。双棱镜在整个光谱范围内保持了光谱顺序的良好分离，这对于最小化光谱顺序之间的串扰效应是很重要的。图2a和2b显示了两种不同棱镜设计的光谱顺序模式的差异，2a为单棱镜，2b为双棱镜。

安铎公司的双棱镜专利设计最大限度地减少了任何串扰的可能性。近红外区和可见光区由于指令的间距不均匀，导致指令的紧密叠加。属于这两个区域的信号很可能同时击中几个指令，导致虚线的形成。此外，顺序分布的不均匀也会导致串扰的大小不一。这两种影响都对Echelle仪器的使用产生不利影响。

和或的双阶棱镜设计通过均匀地分散订单，在订单之间有足够大的间隔来消除虚线的可能性，并有助于将串扰保持在1.5x10-4的小固定数(用633nm激光线测试)，从而避免了这些问题。

分辨率和带通

Echelle设计的最大优势之一是它可以同时提供高分辨率和大带通。Echelle系统中的分辨率由CSR = Wavelength/Resolution@Wavelength定义

因此，配置为CSR 5000的系统@ 200nm的分辨率为:5000 = 200/FWHM @ 200nm，因此FWHM @ 200nm = 0.04nm。

梯队系统所提供的带通主要取决于梯队光栅的大小，也取决于梯队线所混叠的相机。通常情况下，这些系统提供的最大带宽范围从200nm到950nm在一个单一的镜头。根据设计的不同，还有其他梯级设计提供了更小的覆盖范围，即从522到1076nm(安多科技为拉曼光谱设计的紧凑梯级)或从200nm到600nm等。csr也有不同的配置，这取决于所使用的模型，它可以从2500(低分辨率)到40000(非常高的分辨率)。

强度

梯级系统可以设计得非常紧凑，通常没有任何移动部件，这使得它们非常适合现场应用。万博电脑网页版登录众所周知，这些系统已被在线部署，用于识别金属炉炉中的合金浓度，也已在飞行中用于捕捉喷气发动机废气中的微量元素信息。

阶梯系统:应用

梯级系统已经在基于光谱的研究中使用多年，然而，它们还没有像切尔尼特纳系统那样广泛使用。主要原因是早期型号的吞吐量非常低，只有F/10 - F/12。然而，随着梯队设计的变化，F/6和更低现在也可用。由于它们能够捕获~750nm的大带通光谱覆盖，同时提供0.04nm (200nm)的高分辨率，这些系统可以被证明是实验室中各种类型的光谱研究非常方便和灵活的工具。

阶梯形系统第一次被发现用于激光诱导击穿光谱(LIBS)万博电脑网页版登录等离子体的形成被摄谱仪捕获，并通常发送到ICCD，组合工作良好，以提供等离子体的基本数据。广泛的光谱覆盖范围为LIBS研究人员提供了强大的优势，因为需要在目标样本中识别的元素可以属于光谱的任何部分。等离子体的强强度足以使低通量梯队(如F/12梯队)成功检测样品的元素成分。

目前市场上可用的较新的Echelle设计在吞吐量上比以前可用的设计提高了40-60%，因此打开了在LIBS以外的各种应用中使用Echelle的大门，例如万博电脑网页版登录拉曼光谱而且荧光．

图3:使用安铎技术公司的紧凑梯队设计进行近红外拉曼实验的装置示意图

下面讨论了梯队的万博电脑网页版登录典型应用:

• (a)拉曼光谱:近红外拉曼
• (b)中

(一)拉曼光谱:使用梯形光谱仪的近红外拉曼实验由James Lambert博士在洛杉矶儿童医院使用532nm和785nm线进行。在这种情况下使用的光谱仪是安多公司最新的梯队设计之一，称为紧凑梯队VIS-NIR。该仪器为F/6型，CSR为7000，检测范围为520 ~ 1076nm。

用于两条激光线的设置如图3所示。对于785nm的设置，我们使用威尔第二极管泵浦Ti-Sapphire进行激发。图4显示了在785nm激发下获得的光谱放大图。通过5秒曝光收集光谱，并通过100µm VIS-NIR光纤输入光谱仪，并输入Andor Technology公司的TE冷却CCD探测器iDus DV420A-OE，冷却至-60°C，以33kHz读出速率工作。

从光谱上看，环己烷在837-885nm和992-1020nm波段均清晰可见。

(c)微激光诱导击穿光谱:UV-VIS-NIR光谱μ LIBS实验由阿尔伯塔大学Robert Fedosejevs博士及其团队合作进行。Echelle光谱仪的性能被用来与1/3 m焦距czerney - turner光谱仪进行比较，用于通过µLIBS技术进行表面二维映射。同时观察两种体系的µLIBS等离子体，并比较两种体系的敏感性。

实验装置如图5所示。在f/3.9 czerni - turner光谱仪(Oriel MS260i)和f/7阶梯形光谱仪(Andor Mechelle 5000)的激光轴45度处观察µLIBS等离子体。Ti:蓝宝石激光器(spectrum Physics Hurricane)在目标上产生800nm、120 fs的最大脉冲能量~ 80 μ J的脉冲。激光用15倍史瓦西物镜聚焦。使用直径50µm的光纤(Ocean Optics Q50-2-UV/VIS)将等离子体发射耦合到梯队光谱仪中，并定义梯队的入口孔径。

该梯级与ICCD (Andor iStar DH720-18U-13)耦合，响应增强范围从500 nm到800 nm，而czerni - turner与ICCD (Andor iStar DH734-25F-03)耦合，响应增强范围从200 nm到500 nm。栅极延迟在2到5 ns之间，栅极宽度为1µs，两个ICCD都在-10℃下工作。czerni - turner光谱仪上的ICCD在全垂直分箱模式下使用，像素读出时间为16µs，而梯级上的ICCD在成像模式下操作，像素读出时间为1µs。

梯级光谱仪的主要优点之一是可以获得极宽的光谱。图6所示为Al2024合金样品上29 μ J的样品光谱。光谱的宽度是有限的消色差成像透镜用于成像等离子体光到光纤。

插图是与铝合金中析出物的检测和识别相关的区域[8,9]。使用Czerny-Turner光谱仪只能看到两个未解析的双态[8,9]。遵循[9]中概述的程序，分析了Mg和Mn的信噪比光谱。图7a给出了使用电流设置对Al2024合金上的4 μ J脉冲进行Czerny-Turner观测的分析结果。使用Mechelle对相同的4 μ J镜头观察到的光谱进行了相同的分析，但使用了图4插图中识别的所有谱线。分析结果如图7b所示。

使用多线可用的Mechelle改进了Mn沉淀物的检测。结合Mg析出相的检测，该结果表明，在4 μ J的条件下，Al2024表面的单次二维映射是可能的。与Czerny Turner设计相比，Echelle设计提供了高带通和高分辨率，因此有更多的线路可用于高分辨率的同时分析。

梯队的未来

正如Echelle设计的各种应用所表明的那样，可以自信地说，这些系统可万博电脑网页版登录以成功地用于在实验室中执行各种类型的光谱技术。然而，为了让这些系统成为普遍接受的解决方案，它们需要在几个方面进行重新设计:

1. Echelle系统的吞吐量需要改进，使其可与典型的1/3 m CZ设计相媲美(Andor Technology的SR303i具有F/4)。低吞吐量使得Echelle系统在拉曼应用中的使用受到限制。万博电脑网页版登录
2. 阶列系统必须设计成以更具体的方式解决应用，即专门为已知拉曼激发激光线设计的系统，即范围从244nm到480nm的UV-VIS系统，以及范围从480到1076nm的VIS - NIR系统。这些设计将使仪器能够在较低的阶内提供整个波长范围，而不是进入50以上的阶，从而保持仪器的高信噪比。
3. 在梯队系统后面使用的探测器通常是强化ccd，以便于LIBS研究。然而，LIBS等离子体的典型寿命为1-100µs，而iccd提供的纳秒的时间分辨率是过度的。应该使用更快、更便宜、时间分辨率更大的探测器，如CMOS或Interline ccd。这将使系统成本降低一半，使Echelle系统成为其他光谱仪器解决方案的有力选择。

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