隨著溫度的升高，一般物質(zhì)形態(tài)依次表現(xiàn)為固體、液體和氣體，它們統(tǒng)稱物質(zhì)的三態(tài)。當(dāng)氣體溫度進(jìn)一步升高時(shí)，其中許多、甚至全部分子或原子將由于激烈的相互碰撞而離解為電子和正離子。這時(shí)物質(zhì)將進(jìn)入一種新的狀態(tài)，即主要由電子和正離子（或是帶正電的核）組成的狀態(tài)。這種狀態(tài)的物質(zhì)叫等離子體，它可以稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

目前，直接測量等離子體的儀器分為兩大類：一類用于測量等離子體的密度和溫度，方法又分兩種：一種是根據(jù)落到傳感器上的帶電粒子產(chǎn)生的電流來推算，如法拉第筒、減速勢分析器和離子捕集器，另一種是探針，通過在探針上施加不同電壓引起的電源變化來推算；另一類用于測量等離子體的特征譜線（光譜法），使用光纖探測等離子體信號(hào)，通過高分辨率多通道光纖光譜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。下面主要介紹利用光譜法測量等離子體的特征譜線。

實(shí)驗(yàn)部分

儀器原理

實(shí)驗(yàn)所用的光纖光譜儀（見圖1和圖2）采用Czerny-Turner對稱式光路設(shè)計(jì)，入射焦距和色散焦距都是75mm；其包括光纖接頭（標(biāo)準(zhǔn)SMA接口，也可以選擇其他類型的接口）、準(zhǔn)直鏡、衍射光柵、聚焦鏡和線陣CCD探測器，波長范圍為200~1100nm，最高分辨率為0.025nm，提供USB2.0、RS-232和I/O接口。

圖1：光纖光譜儀的光學(xué)平臺(tái)

圖2：單通道光譜儀

功能及特點(diǎn)

（1） 外觸發(fā)功能

該光纖光譜儀能夠在接收外觸發(fā)信號(hào)之后僅延遲1.3µs就開始采樣，還可以發(fā)出一個(gè)TTL信號(hào)來觸發(fā)脈沖激光器，而且在軟件中可以設(shè)置采樣開始時(shí)間與激光脈沖之間的延遲（-20ns~ 89s，步長21ns），其獨(dú)特的-20ns負(fù)延遲采樣時(shí)間特性，對測量脈沖激光器非常有用（見圖3）。

光纖光譜儀的這些特點(diǎn)，使其適用于需要快速響應(yīng)和需要與外觸發(fā)信號(hào)精確同步的應(yīng)用領(lǐng)域（它的時(shí)間抖動(dòng)只有± 21ns），例如傳送帶上的產(chǎn)品檢測等。而輸出TTL信號(hào)的特性則可使其用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）測量或熒光測量，這些應(yīng)用都要求激光脈沖發(fā)射一段時(shí)間之后開始采樣。

圖3：外觸發(fā)時(shí)序圖

（2）歷史通道功能

光纖光譜儀可以同時(shí)監(jiān)測最多8路輸出參數(shù)隨時(shí)間的變化，如用戶定義的函數(shù)、積分、峰值（波長，相對強(qiáng)度）等。函數(shù)可以用Visual-Basic代碼編寫。時(shí)序測量的結(jié)果可以被存儲(chǔ)、載入或者打印。縮放和全景顯示功能可以把時(shí)序測量結(jié)果中感興趣的部分快速放大至全圖顯示。

（3） 獨(dú)立測量功能

該光纖光譜儀還可以配置成獨(dú)立測量工作模式，而不必使用計(jì)算機(jī)。

USB2平臺(tái)的光譜儀添加了藍(lán)牙（-BT）通信以及在板卡上存儲(chǔ)光譜的SDRAM卡選項(xiàng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和傳輸（大于300米）以及長時(shí)間光譜數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（4）寬光譜范圍內(nèi)的高分辨率

對于等離子體測量和LIBS測量，一般都要求光譜儀在較寬的光譜范圍內(nèi)具有較高的分辨率。實(shí)驗(yàn)使用的光纖光譜儀的最高分辨率可達(dá)0.04nm/0.025nm。如果配置成多通道光譜儀，則可以在200~1000nm光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)分辨率優(yōu)于0.1nm；同時(shí)使用光纖束進(jìn)行探測（一端為一個(gè)光纖接頭用于探測信號(hào)；另一端為多個(gè)接頭用于連接各個(gè)通道），不但操作簡單，而且還可以保證探測位于同一位置的信號(hào)。

（5）對稱式光路設(shè)計(jì)

對稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴(yán)格的1:1關(guān)系，在CCD上呈現(xiàn)的是完美的直線像，并且由于不存在光路交叉，使得雜散光的影響被降到最小。

（6）多通道間數(shù)據(jù)同步采樣

光纖光譜儀可以配置成雙通道或多通道（見圖4，USB2.0平臺(tái)最多128），采用主從電路板控制，各通道間實(shí)現(xiàn)真正意義上的同步數(shù)據(jù)采集。每個(gè)通道均包括一個(gè)獨(dú)立的光學(xué)平臺(tái)。

圖4：四通道和八通道光纖光譜儀

（7）溫度穩(wěn)定性好，熱漂移小

該光纖光譜儀的光學(xué)元件和底板間采用無應(yīng)力裝配，出廠前經(jīng)過特殊工序處理，因此環(huán)境溫度對光譜儀影響極小，環(huán)境溫度每變化1℃僅漂移0.1個(gè)像元，其優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性確保了長時(shí)間測量的精確性和可重復(fù)性。

測量方法

實(shí)際上，使用光纖光譜儀測量等離子體的特征譜線的方法非常簡單（見圖5）。第一步：安裝AvaSoft-Full全功能軟件；第二步：將光纖、光譜儀和計(jì)算機(jī)之間連接好，光纖一端固定并對準(zhǔn)被測等離子體，運(yùn)行軟件；第三步：軟件會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)繪成光譜圖。

由于光譜儀測量到的光譜強(qiáng)度是相對值（電子記數(shù)值，單位counts），如果要進(jìn)行絕對強(qiáng)度測量，可以選擇在定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室里對光譜儀進(jìn)行絕對輻射定標(biāo)，波長范圍200~1100nm。為了使整個(gè)測量裝置更加靈活，還可以購買一臺(tái)輻射定標(biāo)光源，在現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定。

圖5：等離子體特征譜線測量實(shí)驗(yàn)布局圖

測試數(shù)據(jù)及裝置

圖6：光纖光譜儀測量等離子體的光譜數(shù)據(jù)

結(jié)論

總之，光纖光譜儀的出現(xiàn)使原位測量等離子體成為可能，而便攜性和高性價(jià)比使其在很多領(lǐng)域內(nèi)可以替代傳統(tǒng)的大型光譜儀，并在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用中取得了巨大進(jìn)展。相信隨著人們對光纖光譜儀的認(rèn)識(shí)越來越全面，其將迎來更具潛力的應(yīng)用前景。