| 發布日期：2025-03-15 |
摘要：光譜儀在輻照度測量中表現卓越，通過分解復色光并測量單色光強度，精確計算光譜輻照度，廣泛應用于環境科學、農業、工業、生物醫學等領域。其高靈敏度、寬波長范圍、模塊化設計和便攜性等優勢，為研究人員提供了可靠工具，推動了相關領域的發展。
在科學研究與工業生產的眾多領域中，精確測量輻照度至關重要。從太陽能光伏產業對太陽輻射能量的把控，到生物醫學研究中光對細胞作用的探究，輻照度的準確測定都起著關鍵作用。而光譜儀作為一種強大的光學分析儀器，在輻照度測試方面展現出了卓越的性能。
隨著科技的飛速發展，人們對光的利用愈發深入和廣泛。無論是在新能源的開發與利用，如太陽能電池的效率提升，還是在農業生產中通過調節光照促進作物生長，亦或是在環境監測中評估太陽輻射對生態系統的影響，都離不開對輻照度的精確測量。輻照度，即單位面積上所接受的輻射功率，它反映了光能量的強度分布情況。不同波長的光具有不同的能量，對各種物質和系統產生的作用也各不相同。因此，準確測量不同波長下的輻照度，對于理解光與物質的相互作用機制，優化相關技術和產品性能具有重要意義。
2.1 光輻射與輻照度
光輻射是指以電磁波形式發射、傳播或接收的能量。輻照度（E）的定義為單位面積（A）上接收到的輻射通量（Φ），單位為 W/m2，其計算公式如下：
E = Φ / A
在實際測量中，我們關注的往往是光譜輻照度，它表示單位波長間隔內的輻照度，記為E（λ），單位為 W/(m2?nm)。光譜輻照度能更細致地反映光能量在不同波長上的分布，用于表征波長λ處單位波長的輻射功率密度。光譜儀通過測量各波長點的輻射強度，積分計算總輻照度：
其中，E(λ)為光譜輻照度，積分范圍覆蓋目標光源的波長區間。
2.2 光譜儀測量原理
光譜儀通過將復色光分解為不同波長的單色光，并測量各單色光的強度來獲取光譜信息。當光源發出的光經過光纖傳輸至光譜儀后，光譜儀利用內部的光學系統（如光柵）將光按波長色散，不同波長的光被探測器接收并轉換為電信號，經信號處理后得到光強隨波長變化的光譜曲線。通過積分光譜曲線下各波長的光強，結合探測器的光譜響應函數和校準系數，即可計算出輻照度。這一過程需要精確的光學設計和信號處理技術，以確保測量結果的準確性和可靠性。
輻照度測量依賴于光譜儀這一核心設備。在輻照度測量中，光譜儀通過接收來自標準光源或待測光源的光線，將其分散成不同波長的光譜，并通過探測器將光信號轉換為電信號進行記錄和分析。通過分析光譜數據，可以計算出待測物的輻照度、輻射通量等關鍵參數。
?高靈敏度：光譜儀具有較高的靈敏度，能夠精確檢測微弱光信號并分辨細微波長差異。這對于測量低強度光源或分析光譜細節至關重要。
?寬波長范圍：光譜儀能夠覆蓋廣泛的波長范圍，從紫外（UV）到可見光再到近紅外（NIR）。這種寬波長范圍的覆蓋使得光譜儀能夠測量不同波段的輻照度，從而提供全面的光譜信息
?模塊化設計和靈活性：光譜儀采用模塊化設計，可以靈活搭配不同附件，如積分球、余弦校正器等，以適應多種測量場景和光源類型。這種靈活性使得光譜儀能夠輕松集成到不同的實驗設置中，滿足各種研究需求。
?實時測量和數據分析：光譜儀能夠進行實時測量和數據分析，提供即時的光譜信息。這使得研究人員可以快速獲取和分析數據，及時調整實驗條件，提高研究效率。
?便攜性和易用性：光譜儀設計緊湊，便攜性強，易于操作和維護。這使得光譜儀可以方便地攜帶到不同的實驗現場，進行現場測量。
?高性價比：光譜儀的價格相對較低，且維護成本低，具有很高的性價比。這使得更多的研究機構和個人能夠負擔得起光譜儀，廣泛應用于各種研究和工業領域。
通過這些技術優勢，光譜儀在輻照度測量中表現出色，為研究人員提供了精確、可靠和靈活的測量工具，極大地促進了相關領域的研究和發展。
4.1 環境科學與生態學
（1）生態系統研究：光譜儀在生態系統研究中發揮著重要作用，特別是在研究植物凋落物分解過程中。通過測量不同波長的UV輻射，研究人員可以評估UV輻射對植物凋落物分解的影響。
（2）氣候變化研究：光譜儀在氣候變化研究中也有廣泛應用。通過測量太陽輻射的光譜分布和輻照度，研究人員可以評估氣候變化對太陽輻射的影響。
（3）環境監測：光譜儀在環境監測中用于測量各種光源的輻照度，包括太陽輻射、人工光源等。通過精確測量這些光源的光譜分布，研究人員可以評估環境中的光污染水平，以及不同光源對生態系統和人類健康的影響。
4.2 農業與植物科學
（1）植物生理研究
光譜儀在植物生理研究中用于測量植物葉片的光譜反射率和吸收特性。通過分析這些光譜數據，研究人員可以評估植物的光合作用效率、葉片健康狀況以及對不同環境條件的適應能力。
（2）LED光照對植物生長的影響
光譜儀在LED光照對植物生長影響的研究中也有重要應用。通過測量LED光源的輻照度和光譜分布，研究人員可以評估不同波長的光對植物生長和發育的影響。
4.3 工業應用
（1）材料光譜分析
光譜儀在材料科學中用于分析材料的光譜反射率和吸收特性。通過測量材料在不同波長下的光譜響應，研究人員可以評估材料的光學性能和組成結構。
（2）工業過程監測
光譜儀在工業過程中用于監測和控制各種光源的輻照度和光譜分布。此外，光譜儀還可以用于監測工業爐窯的輻射溫度和光譜分布，幫助優化燃燒過程和提高能效。
4.4 生物醫學
（1）生物醫學研究
光譜儀在生物醫學研究中用于測量生物組織和細胞的光譜特性。通過分析這些光譜數據，研究人員可以評估生物組織的健康狀況、疾病診斷和治療效果。
（2）醫療設備測試
光譜儀在醫療設備測試中用于測量醫療設備的光源輻照度和光譜分布。例如，光譜儀可以用于測試激光手術設備的光源強度和光譜分布，確保設備的性能和安全性。
4.5 食品安全與質量控制
（1）食品成分分析
光譜儀在食品安全和質量控制中用于分析食品的光譜特性，評估食品的成分和質量。例如，光譜儀可以用于測量食品的水分含量、蛋白質含量和脂肪含量，幫助確保食品的質量和安全。
（2）食品加工過程監測
光譜儀在食品加工過程中用于監測和控制加工條件。例如，光譜儀可以用于測量食品加工過程中的光照強度和光譜分布，幫助優化加工條件，提高食品質量和安全性。
4.6 教育與科研
（1）教學實驗
光譜儀在教育領域中用于教學實驗，幫助學生理解光譜分析的基本原理和應用。例如，光譜儀可以用于測量不同光源的光譜分布，幫助學生學習光譜分析技術。
（2）科研項目
光譜儀在科研項目中廣泛應用于各種研究領域，包括物理學、化學、生物學和環境科學等。通過精確測量光源的光譜分布和輻照度，研究人員可以進行各種實驗和研究，推動科學研究的發展。
通過這些應用領域，我們可以看到光譜儀在輻照度測量中的廣泛用途和重要性。它為研究人員提供了一種精確、可靠和靈活的測量工具，極大地促進了相關領域的研究和發展。
5.1 設備搭建
典型的光譜儀輻照度測試系統主要由光譜儀、積分球、光源、光纖以及數據采集與處理系統組成。積分球和光纖用于均勻收集光源發出的光，并將其引入光譜儀。光譜儀可將光信號轉換為電信號，數據采集與處理系統則負責采集和分析探測器輸出的信號，最終得到光譜輻照度數據。光源可以是太陽模擬器、鹵鎢燈等模擬不同的光照條件。
圖1 輻照度測試系統搭建示意圖
5.2 使用步驟
系統校準：在測量前，需要使用標準光源對光譜儀進行輻照度標定，以確保測量結果的準確性。通常使用已知光譜輻照度的標準光源對光譜儀進行定標，校正儀器的波長和強度響應。
樣品準備與安裝：根據測試需求，準備好待測試的樣品，并將其安裝在合適的位置，確保樣品能夠接收到均勻的光照。
測量參數設置：在光譜儀的數據采集軟件中，根據所測光譜數據，調節合適的積分時間。
數據采集與分析：啟動光源，光譜儀開始采集數據，得到光譜輻照度隨波長變化的曲線。通過數據分析軟件，可以對采集到的數據進行進一步處理，如計算特定波長范圍內的輻照度總和、峰值波長及對應的輻照度等。
5.3 推薦配置
表1 推薦配置
Bin Wei等人使用光譜儀由如海光電提供的XSM11639光譜儀（現產品MS2000）測量了兩種塑料材料（透明壓克力和UV吸收聚碳酸酯）的光譜輻照度，用于驗證不同UV輻射處理對植物凋落物分解的影響。
6.1 研究背景
大氣氮（N）沉降顯著改變了陸地生物地球化學循環，凋落物分解作為碳和養分循環的關鍵過程，對外部氮輸入較為敏感。然而，目前對于紫外線（UV）輻射、土壤生物多樣性與傳統驅動因素（如凋落物化學性質和微生物活動）之間的相互作用如何調節凋落物分解對持續氮輸入的響應尚不清楚。紫外線輻射被認為是干旱和半干旱生態系統中凋落物分解的重要驅動因素，它既能通過非生物光降解作用分解有機物，又能通過產生易分解的有機化合物間接刺激微生物分解。但額外的氮輸入可能會導致植被冠層更加茂密，限制植物凋落物接受紫外線輻射，進而抑制凋落物分解。因此，研究氮輸入下紫外線輻射對凋落物分解的影響具有重要意義，而精確測量紫外線輻照度是該研究的關鍵環節。
6.2 實驗結果
在多水平氮添加處理下，隨著氮輸入的增加，所有凋落物類型的分解速率均顯著下降。通過逐步回歸和變異分解分析發現，UV 輻射和微生物在很大程度上解釋了紫花針茅（Stipa purpurea）凋落物分解的方差（分別為 62.1% 和 57.4%），其他三種凋落物類型也呈現出類似的趨勢。在 UV 輻射操縱實驗中，在 N0 處理下，衰減的 UV 輻射使凋落物分解減緩，凋落物質量損失比對照降低了 16.7%（P<0.05）；在 N32 處理下，全光照相比對照加速了凋落物分解，凋落物質量損失增加了 5.5%（P<0.05）。
氮輸入導致的UV輻射減少和土壤細菌多樣性降低抑制了植物凋落物的分解，挑戰了傳統觀點，即凋落物化學和微生物活性的變化決定了植物凋落物分解對氮輸入的響應。這一發現強調了在預測全球變化情景下陸地碳循環軌跡時，應將土壤生物多樣性納入地球系統模型中。
圖2 不同輻射處理下的背景和兩種塑料材料(a)和紫外輻射(b)的光譜輻照度
6.3 結論
通過這個應用案例，我們可以看到光譜儀在輻照度測量中的重要性和實用性。它為研究人員提供了一種精確測量UV輻射強度和分布的工具，從而幫助他們更好地理解生態系統中各種因素如何相互作用，影響植物凋落物的分解過程。
