摘要：在研究光栅型光谱仪工作原理的基础上，分析光谱仪不同分辨率带宽对其光源功率和波长测量的影响，并进行实验验证，为光谱仪的使用以及计量校准工作提供参考。
关键词：光栅型光谱仪；分辨率带宽；功率；波长
0 引言
光谱仪因具有响应速度快、测量精度高、不损伤器件和样品等特点而广泛应用于光通信与光传感领域。随着社会经济和生产力发展，光谱仪用途被推广到各行各业。本文根据光栅型光谱仪的使用和校准经验对光源功率和波长测量特性进行探讨。
1 光谱仪工作原理
光谱仪是一种特殊的分光仪。典型光谱仪主要由光学分光平台和光电检测系统组成，一般包括入射狭缝、准直器件、色散原件（通常是光栅）、出射狭缝和探测器阵列[1]，结构示意图如图1所示。
图1 光谱仪结构示意图
光谱仪工作时，外界光由入射狭缝S1进入仪器，通过准光镜M1后变成平行光到达色散光栅；通过色散光栅G色散作用后，入射光在空间上变成不同波长的单色光并通过不同衍射角输出；准光镜M2将输出光线聚焦到出射狭缝S2上；光电探测器检测出射狭缝S2的出射光并记录该波长的光强信号。若将色散光栅G安装在一个旋转台上，当光栅角度变化时，光电探测器即可接收到所对应不同波长的光强信号。
目前，还有部分光谱仪采用双通过单色仪设计，具有光束汇聚作用，因而可以使用较小的狭缝和光电探测器，有效降低暗电流，在实现快速扫描的同时得到高灵敏度和大动态范围。
影响光谱仪性能的参数主要有分辨率、光谱范围和响应灵敏度等[2]。分辨率是光谱仪的重要性能，是指光谱仪分开波长接近的2条谱线的能力，即光谱仪能够区分的最小波长差；在此过程中，光谱仪需要将2个临近波长的谱线分别成像到探测器不同像元上。在色散光栅固定情况下，光谱仪分辨率很大程度取决于狭缝宽度。
以出射狭缝为例，设狭缝S2宽度为△L2，则它在光电探测器所成的角宽度
为
(1)其中，α为入射角；f为准光镜M2焦距。
对式(1)两边入射角α求导，化简可得
(2)其中，
为测得的谱线宽度。
由式(2)可知，所测谱线宽度和狭缝宽度成正比，狭缝宽度越小，分辨率越高，但同时扫描速度也会降低。一般认为，分辨率越高，光谱仪测量的光信号准确率越高；然而随着狭缝宽度逐渐降低，光衍射效应逐渐变得明显，从而影响光谱仪的测量准确度。
同样以狭缝S2为例，狭缝长为b；宽为a，设b >> a；衍射角为θ，则光强在x轴上分布为
(3)其中，
为衍射角是θ时对应的光强；
为主极大所对应的光强；
。
中央亮纹半宽度为
(4)角半宽度是衍射效应强弱的重要指标，对于给定波长，缝宽越小，对光束限制越大，衍射效果越明显，反之亦然。
光谱仪对光信号的测量主要是指对光源功率和波长准确的表征[3]。由以上分析可知，当光谱仪分辨率增高，可能会发生衍射现象，而衍射将会影响投射在探测器上的光斑质量，从而降低功率和波长测量的准确度。
2 实验验证
2.1 实验设计
光谱仪分辨率在本文是指该仪器探测到光谱辐射能量的最小波长间隔；分辨率带宽是指从单色器射出的单色光谱线强度轮廓曲线二分之一高度处的谱带宽度。分辨率带宽用于表征仪器的光谱分辨率，因此，可通过设置光谱仪分辨率带宽而达到改变其分辨率的目的。
为了验证光谱仪分辨率带宽对光源功率和波长测量准确度的影响，本文选用不同波长的DFB点光源（
20 dB谱宽约为0.6 nm）对光谱仪测量特性进行探究。实验中设置光谱仪分辨率带宽分别为：5 nm，2 nm，1 nm，0.5 nm，0.2 nm，0.1 nm，0.06 nm。，比对不同分辨率带宽对光源功率和波长测量带来的影响。
实验选用Agilent 86142B光栅型光谱仪，其内部采用双通过单色仪设计，可实现高灵敏度、大动态范围测量。
2.2 结果与数据分析
2.2.1 分辨率带宽对功率测量的影响
将光谱仪测得的光源功率值与标准光功率计（EXFO，81634B）测得的标准值比较，可得数据如图2所示。
图2 分辨率带宽对功率测量的影响
由图2可知，无论是测量1310 nm还是1550 nm的DFB光源，当光谱仪分辨率带宽为10 nm且不断降低时，测得的光源光功率越来越接近标准值；然而，当分辨率带宽降低到0.2 nm以下时，测得的光源光功率波动越来越大，逐渐偏离标准值，且分辨率带宽越小，测量值波动程度越来越大。
这是因为当光谱仪分辨率带宽降低时，入射和出射狭缝缝宽也会调小。当狭缝宽度小到一定值时（∆L≈λ），满足衍射条件。狭缝这一不连续性条件引起波改变传播方向的现象，导致只有前几级亮纹投射在光谱仪光电探测器上，从而影响光谱仪对光功率测量的准确度。这种影响对波长较大的光源测量尤为明显。
日常使用或校准光谱仪光功率测量功能时，应选择适中的分辨率带宽，以提高光谱仪对光源功率测量的准确度，更好地发挥光谱仪的性能。
2.2.2 分辨率带宽对波长测量的影响
将光谱仪测得的光源波长与标准光波长计（Agilent，86120）测得的标准值比较，可得数据如图3所示。
图3 分辨率带宽对波长测量的影响
根据图3可知，无论是测量1310 nm还是1550 nm的DFB光源，当光谱仪的分辨率带宽较大时，测得的波长值波动较大。但随着分辨率带宽逐渐减小至0.5 nm，波动减少，且测得的光波长越来越接近标准值。由前面分析可知，当狭缝宽度小到一定值时（△L≈λ），满足衍射条件，导致只有前几级亮纹投射在光谱仪光电探测器上，然而前几级亮纹依然保证了光波长准确度，所以降低光谱分辨率带宽并未对光谱仪波长测量带来影响。
分辨率提高会提高波长测量准确度；同时会降低光谱仪扫描速度。因此，日常使用光谱仪进行光波长测量时，应选择合适的分辨率带宽。而在校准该功能时，应当选择光谱仪常用分辨率带宽值。
3 结论
本文通过研究光谱仪工作原理，分析不同分辨率带宽可能给光源功率和波长测量带来的影响，并结合实验数据进行验证。实验结果表明：当分辨率带宽较高时，减小光谱仪分辨率带宽有利于提高光谱仪光信号测量准确度，尤其是波长测量准确度；但是随着分辨率带宽下降到较低值，狭缝宽度过低，发生衍射效应而降低光功率测量准确度。因此，在光谱仪使用或校准时，应确保狭缝宽度不会过低而产生衍射现象，同时选择较低分辨率带宽以提高光谱仪测量准确度。
