随着温度的升高，一般物质形态依次表现为固体、液体和气体，它们统称物质的三态。当气体温度进一步升高时，其中许多、甚至全部分子或原子将由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正离子。这时物质将进入一种新的状态，即主要由电子和正离子（或是带正电的核）组成的状态。这种状态的物质叫等离子体，它可以称为物质的第四态。

目前，直接测量等离子体的仪器分为两大类：一类用于测量等离子体的密度和温度，方法又分两种：一种是根据落到传感器上的带电粒子产生的电流来推算，如法拉第筒、减速势分析器和离子捕集器，另一种是探针，通过在探针上施加不同电压引起的电源变化来推算；另一类用于测量等离子体的特征谱线（光谱法），使用光纤探测等离子体信号，通过高分辨率多通道光纤光谱仪进行数据采集和分析。下面主要介绍利用光谱法测量等离子体的特征谱线。

实验部分

仪器原理

实验所用的光纤光谱仪（见图1和图2）采用Czerny-Turner对称式光路设计，入射焦距和色散焦距都是75mm；其包括光纤接头（标准SMA接口，也可以选择其他类型的接口）、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和线阵CCD探测器，波长范围为200~1100nm，最高分辨率为0.025nm，提供USB2.0、RS-232和I/O接口。

图1：光纤光谱仪的光学平台

图2：单通道光谱仪

功能及特点

（1） 外触发功能

该光纤光谱仪能够在接收外触发信号之后仅延迟1.3µs就开始采样，还可以发出一个TTL信号来触发脉冲激光器，而且在软件中可以设置采样开始时间与激光脉冲之间的延迟（-20ns~ 89s，步长21ns），其独特的-20ns负延迟采样时间特性，对测量脉冲激光器非常有用（见图3）。

光纤光谱仪的这些特点，使其适用于需要快速响应和需要与外触发信号精确同步的应用领域（它的时间抖动只有± 21ns），例如传送带上的产品检测等。而输出TTL信号的特性则可使其用于激光诱导击穿光谱（LIBS）测量或荧光测量，这些应用都要求激光脉冲发射一段时间之后开始采样。

图3：外触发时序图

（2）历史通道功能

光纤光谱仪可以同时监测最多8路输出参数随时间的变化，如用户定义的函数、积分、峰值（波长，相对强度）等。函数可以用Visual-Basic代码编写。时序测量的结果可以被存储、载入或者打印。缩放和全景显示功能可以把时序测量结果中感兴趣的部分快速放大至全图显示。

（3） 独立测量功能

该光纤光谱仪还可以配置成独立测量工作模式，而不必使用计算机。

USB2平台的光谱仪添加了蓝牙（-BT）通信以及在板卡上存储光谱的SDRAM卡选项，能够实现远距离测量和传输（大于300米）以及长时间光谱数据存储。

（4）宽光谱范围内的高分辨率

对于等离子体测量和LIBS测量，一般都要求光谱仪在较宽的光谱范围内具有较高的分辨率。实验使用的光纤光谱仪的最高分辨率可达0.04nm/0.025nm。如果配置成多通道光谱仪，则可以在200~1000nm光谱范围内实现分辨率优于0.1nm；同时使用光纤束进行探测（一端为一个光纤接头用于探测信号；另一端为多个接头用于连接各个通道），不但操作简单，而且还可以保证探测位于同一位置的信号。

（5）对称式光路设计

对称式光路的入射焦距和色散焦距比是严格的1:1关系，在CCD上呈现的是完美的直线像，并且由于不存在光路交叉，使得杂散光的影响被降到最小。

（6）多通道间数据同步采样

光纤光谱仪可以配置成双通道或多通道（见图4，USB2.0平台最多128），采用主从电路板控制，各通道间实现真正意义上的同步数据采集。每个通道均包括一个独立的光学平台。

图4：四通道和八通道光纤光谱仪

（7）温度稳定性好，热漂移小

该光纤光谱仪的光学元件和底板间采用无应力装配，出厂前经过特殊工序处理，因此环境温度对光谱仪影响极小，环境温度每变化1℃仅漂移0.1个像元，其优异的温度稳定性确保了长时间测量的精确性和可重复性。

测量方法

实际上，使用光纤光谱仪测量等离子体的特征谱线的方法非常简单（见图5）。第一步：安装AvaSoft-Full全功能软件；第二步：将光纤、光谱仪和计算机之间连接好，光纤一端固定并对准被测等离子体，运行软件；第三步：软件会将采集到的数据绘成光谱图。

由于光谱仪测量到的光谱强度是相对值（电子记数值，单位counts），如果要进行绝对强度测量，可以选择在定标实验室里对光谱仪进行绝对辐射定标，波长范围200~1100nm。为了使整个测量装置更加灵活，还可以购买一台辐射定标光源，在现场进行标定。

图5：等离子体特征谱线测量实验布局图

测试数据及装置

图6：光纤光谱仪测量等离子体的光谱数据

结论

总之，光纤光谱仪的出现使原位测量等离子体成为可能，而便携性和高性价比使其在很多领域内可以替代传统的大型光谱仪，并在工业现场应用中取得了巨大进展。相信随着人们对光纤光谱仪的认识越来越全面，其将迎来更具潜力的应用前景。