隨著溫度的升高，一般物質形態(tài)依次表現為固體、液體和氣體，它們統(tǒng)稱物質的三態(tài)。當氣體溫度進一步升高時，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。這時物質將進入一種新的狀態(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)的物質叫等離子體，它可以稱為物質的第四態(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：一種是根據落到傳感器上的帶電粒子產生的電流來推算，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，通過高分辨率多通道光纖光譜儀進行數據采集和分析。下面主要介紹利用光譜法測量等離子體的特征譜線。

實驗部分

儀器原理

實驗所用的光纖光譜儀（見圖1和圖2）采用Czerny-Turner對稱式光路設計，入射焦距和色散焦距都是75mm；其包括光纖接頭（標準SMA接口，也可以選擇其他類型的接口）、準直鏡、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：光纖光譜儀的光學平臺

圖2：單通道光譜儀

功能及特點

（1） 外觸發(fā)功能

該光纖光譜儀能夠在接收外觸發(fā)信號之后僅延遲1.3µs就開始采樣，還可以發(fā)出一個TTL信號來觸發(fā)脈沖激光器，而且在軟件中可以設置采樣開始時間與激光脈沖之間的延遲（-20ns~ 89s，步長21ns），其獨特的-20ns負延遲采樣時間特性，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，使其適用于需要快速響應和需要與外觸發(fā)信號精確同步的應用領域（它的時間抖動只有± 21ns），例如傳送帶上的產品檢測等。而輸出TTL信號的特性則可使其用于激光誘導擊穿光譜（LIBS）測量或熒光測量，這些應用都要求激光脈沖發(fā)射一段時間之后開始采樣。

圖3：外觸發(fā)時序圖

（2）歷史通道功能

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

（3） 獨立測量功能

該光纖光譜儀還可以配置成獨立測量工作模式，而不必使用計算機。

USB2平臺的光譜儀添加了藍牙（-BT）通信以及在板卡上存儲光譜的SDRAM卡選項，能夠實現遠距離測量和傳輸（大于300米）以及長時間光譜數據存儲。

（4）寬光譜范圍內的高分辨率

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具有較高的分辨率。實驗使用的光纖光譜儀的最高分辨率可達0.04nm/0.025nm。如果配置成多通道光譜儀，則可以在200~1000nm光譜范圍內實現分辨率優(yōu)于0.1nm；同時使用光纖束進行探測（一端為一個光纖接頭用于探測信號；另一端為多個接頭用于連接各個通道），不但操作簡單，而且還可以保證探測位于同一位置的信號。

（5）對稱式光路設計

對稱式光路的入射焦距和色散焦距比是嚴格的1:1關系，在CCD上呈現的是完美的直線像，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）多通道間數據同步采樣

光纖光譜儀可以配置成雙通道或多通道（見圖4，USB2.0平臺最多128），采用主從電路板控制，各通道間實現真正意義上的同步數據采集。每個通道均包括一個獨立的光學平臺。

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元件和底板間采用無應力裝配，出廠前經過特殊工序處理，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個像元，其優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性確保了長時間測量的精確性和可重復性。

測量方法

實際上，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、光譜儀和計算機之間連接好，光纖一端固定并對準被測等離子體，運行軟件；第三步：軟件會將采集到的數據繪成光譜圖。

由于光譜儀測量到的光譜強度是相對值（電子記數值，單位counts），如果要進行絕對強度測量，可以選擇在定標實驗室里對光譜儀進行絕對輻射定標，波長范圍200~1100nm。為了使整個測量裝置更加靈活，還可以購買一臺輻射定標光源，在現場進行標定。

圖5：等離子體特征譜線測量實驗布局圖

測試數據及裝置

圖6：光纖光譜儀測量等離子體的光譜數據

結論

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