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光纤在近红外光谱分析技术中的应用 廖延彪宣海锋张．敏赖淑蓉 (清华大学电子系光纤传感实验室，北京100084) 摘要介绍了光纤在红外光谱分析技术中的三个主要应用：(I)扩展用途。使已有的缸外 光谱分析仪可用于远距离在线测量。(2)提高精度。例如，和现代激光技术、光电子技术结台构 成新型高精度气体红外光谱分析仪。(3)推成出新。例如，光纤和滤光片结合构成微小型红外光 谱分析戗，可用于在线测量。重点讨论了光纤光谱分析在油井下实时检测应用的新型高精度气 体红外光谱分析仪。 关键词 光纤光学；近红外光谱；离散光谱法 随着化学计量学方法和近红外光谱仪器的不断发展，近红外光谱分析技术的应用领域不 断扩大，已经成功应用于环境监测、化工检测、动物养殖监测、药物计量【11等领域。常用的 红外光谱仪包括傅里叶变换近红外光谱仪，傅里叶变换红外光谱仪，傅里叶变换一拉曼光谱 仪，这些大型光谱仪是研究物质成分的重要手段。但是对于环境和工业过程监测急需采用远 程和在线分析测量，有的还要求探头尺寸小。这就给光纤传输技术在近红外光谱分析中的应 用提供了发展的舞台[“。同时光纤工艺对近红外测量仪器整体结构的改进有很大的意义，比 如在生物组织近红外分析中13,4J，光纤结构的近红外探头能很好地符合实际应用需求。 现代光电子技术、激光技术和光纤技术的结合更使得近红外光谱测量水平有进一步的提 高，比较典型的为激光凋谐二次谐波法测量气体吸收精度比传统方式高好几个数量级博。J， 可达到10“量级；近两年发展的基于有源内腔光谱监测技术可实现对气体的lO。9量级测 量[8，9J。特种光纤技术可以使得一些特殊恶劣条件领域的近红外分析成为可能，例如实现石 油井下流体的实时测量系统¨o川。 光纤在红外光谱分析技术中的应用主要有三：(1)扩展用途。使已有的红外光谱分析仪 可用于远距离在线测量。(2)提高精度。例如，和现代激光技术、光电子技术结合构成新型 高精度气体红外光谱分析仪。(3)推成出新。例如，光纤和滤光片结合构成微小型红外光谱 分析仪，可用于在线测量。 1光纤在光谱分析仪中的应用之一(扩展用途) 光纤具有传统体光学结构所没有优势，光纤作为基本光学传输部件，用于红外光谱分析 仪可使各类光谱分析系统功能大大扩展；结构更加灵活；且可用于实时、在线测量。 1．1光纤输入输出的小型光谱仪 最常见的现代小型光谱仪就应用了光纤输出输入结构。其内部分光系统大都用的是衍射 作者简介：廖延彪，男，1935年出生，清华大学教授，博士生导师，中国光纤传感专业委员会主任，光学学会光电 技术专业委员会常务理事。从事光纤传输和传感研究工作。E—md：lyb—dee@mail．t8ir咖幽．∞。 170 光栅，出射光采用线阵CCD接收，这样的结构可以避免扫谱结构，使得光谱分析仪的体积 大为减小。另外，由于采用光纤接口，光纤的内口径本身就是很好的均匀点源，使得光谱仪 的结构设计更为简便。目前，在很多工业控制和现场测量中大量应用这种光纤输入输出的便 携式光谱仪。比较典型的产品有美国Ocean Optia公司的微型光谱仪．其分辨率可以达到 掌大小)，利用光纤作为输入输出单元，配合相应的光纤近红外探头结构使它可以方便地进 行各类液体、甚至是气体的吸收谱测量。 1．2光纤近红外光谱仪在远程检测中的应用 且在几公里范围内对测量光谱特性的色散效应、非线性效应等不良影响都很微弱，对于常用 的近红外光谱远程测量范围，可认为光纤是一种完美的传输通道。而且，光纤具有一般电子 传输线所没有的特性：可以应用于强磁场、高腐蚀等恶劣环境。这些特性就决定了光纤必定 成为远程近红外光谱分析技术的重要角色。如土壤中有毒有机物的在线检测-2J，远程气体检 测¨i27·…，利用光纤的远程传输特性就非常合适。而且利用现代的光学耦合技术，光学器 件和光纤之间的耦合损耗可以做到非常小，如整体损耗可以控制在3dB之内。 1．3近红外光纤探头在光谱分析的应用 在实际测量中，光谱分析系统探头的结构非常关键。基于光纤结构的近红外探头结构非 常灵活。可按应用要求设计，以应用于食品检测112,13J、生物体医学检测【3’4]等领域。例如人 体组织体液的pH值测定，人体组织pH值测量比血液pH值更能反映细胞的新陈代谢的情 况，再如在输氧不足症状诊断中体液pH值更有代表性。