激光驱动光源用于波长校准仪器

摘要：光谱仪和其他波长敏感仪器会由于环境影响和时间的推移而自然发生漂移。对于这些类型的仪器来说，这个问题很常见。它可以通过定期波长校准来解决，这有助于恢复准确可靠的光谱结果。波长校准可以通过观察指定仪器(包括气体放电灯、激光线、可调谐光源等)已知波长的发射线的光谱来

光谱仪和其他波长敏感仪器会由于环境影响和时间的推移而自然发生漂移。对于这些类型的仪器来说，这个问题很常见。它可以通过定期波长校准来解决，这有助于恢复准确可靠的光谱结果。波长校准可以通过观察指定仪器(包括气体放电灯、激光线、可调谐光源等)已知波长的发射线的光谱来实现。在本文中，对波长校准中使用的仪器进行了讨论和比较，以更好地了解不同光源在波长校准应用中的性能和局限性。

波长校准的典型设备

1. 光谱灯

用于波长校准的光谱灯包括铅笔式校准灯、较大灯泡光谱灯和空心阴极灯。

1.1 铅笔式校准灯

笔式校准灯(也称为笔式射线灯)用途广泛，布局紧凑，可以轻松集成到光学系统中以进行波长校准。典型稀有气体和金属蒸气的谱线包括 Ar、Kr、Xe、Ne、Hg 元素以及 Hg 与其他元素的组合。正因为如此，可以覆盖从230 nm到2000 nm的UV-VIS-NIR光谱。图 1 和图 2 分别显示了氪灯和氩灯在 600-700 nm 和 410-740 nm VIS 范围内的典型线输出。表 I 和表 II 列出了氙在 800-860 nm 处的强谱线和汞 (Hg) 在 200-300 nm 处的强谱线。与其他解决方案相比，这些灯具有多功能性且成本更低，因此成为波长校准应用的热门选择。

1.2 空心阴极灯

空心阴极灯是一种放电灯，由以下部分组成：由设计用于所需光谱输出的原子元素制成的阴极、阳极以及灯的密封玻璃管中包含的惰性气体。在操作中，谱线由施加特定设计电压时被电离的填充气体原子和在等离子体输出中被激发的来自阴极的溅射原子产生。用作电极的典型元素包括As、Cs、Sb、Cd、Sn、Si、Ni、Te、Hg、Ba和Rb。通常使用的惰性气体是Ar或Ne。

空心阴极灯的光谱输出强度低、无连续谱、存在大量弱谱线。对于特定应用，这些灯可以在 UV 和 VIS 光谱范围内提供几乎每 5 nm 间隔的光谱线，如果被测仪器足够灵敏，则可以实现精确的波长校准。

1.3 大灯泡光谱灯

与笔形射线灯相比，大灯泡光谱灯的光输出通常更强烈。大灯泡光谱灯通常利用 Zn、Hg、Cd、Ar、Xe、Kr、Rb、Na、He 以及 Hg 与其他元素的组合作为照明介质。这些灯的光谱范围可覆盖 210 nm 至 2300 nm 的 UV-VIS-NIR 区域。

2. 激光线

激光线还可用于波长校准。例如，He-Ne 发射提供 543.37 nm、593.93 nm、611.80 nm、632.82 nm 的激光线和 1523 nm 的 NIR 线。氟化氩激光器可以产生 193 nm 的紫外线，而 He-Cd 激光器则可以产生 325 nm 和 442 nm 的谱线。表 III 列出了从紫外到红外范围内不同激光器的典型激光线。从成本角度来看，使用激光线进行波长校准通常比使用气灯更昂贵。与激光相比，气灯还包含更多的线条。然而，激光线的强度比气灯的发射线高得多。

表 III：常用激光器及其发射

3. 单色输出的可调光源

使用宽带光源构建的可调谐光源，例如石英卤钨灯或氙灯和单色器，可以产生单色和可调谐的光输出。该输出可以与光纤耦合以更方便地部署。校准后，可调谐光源能够提供单色仪发出的无限数量的光谱线。单色输出的带宽通常表示为“半高全宽”(FWHM)，由单色仪入口和出口狭缝的狭缝宽度决定。典型的 FWHM 大于 0.1 nm，比原子线的宽度还宽。波长标度校准决定了谱线的准确性。光谱输出的对比度或纯度由单色仪的杂散光抑制性能决定。系统的光谱范围受到光源的光谱输出和单色仪的可调范围的限制，通常覆盖 200 nm 到高达 3000 nm 的 NIR 区域。

图 3：典型可调光源的布局

4. 液体过滤器和玻璃过滤器

液体滤光片和玻璃滤光片在某些波长下更大程度地减少分光光度计的光束，并具有狭窄、明确的峰值，以实现波长精确测量。液体滤光片的参考材料可以是溶解在高氯酸中的铈，光谱范围为 200-260 nm，或氧化钬溶解在高氯酸中的溶液，覆盖 240-650 nm 范围。3图 4 显示了镨液体过滤器的典型光谱，该过滤器利用溶解在高氯酸中的镨和钕来检查 320-870 nm 的波长精度。具有与液体滤光片相似参考材料的玻璃滤光片表现出相似的光谱输出，但某些峰的强度略有不同。与液体过滤器相比，使用玻璃过滤器的主要优点是它们更坚固。

图 4：镨液体过滤器的典型光谱

5.来自太阳的光

太阳发出从 X 射线到无线电波的辐射。其光谱由许多吸收线组成，这些吸收线已被充分表征、识别并从太空精确测量。太阳光谱可能是波长校准的替代方法。在实践中，被测仪器借助软件收集和测量阳光。该软件用于对测量的光谱应用位移和拉伸校正，直到整个光谱结构与太阳参考光谱的表格线匹配。获得的结果表明波长尺度的不准确，需要在所研究的光谱范围内进行校正。使用阳光进行波长校准的光谱范围通常适用于 UV 至 VIS 范围。但这种方法确实有其局限性，天气和时间等因素都会发挥作用。