姚明奇 張玉紅 李念

【摘要】本文設(shè)計(jì)了的一個(gè)熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)部分主要是光柵單色儀控制電路的設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)利用LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用LabVIEW編程對(duì)前面板和程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出效率更高、方便研究人員使用的的人機(jī)界面操作系統(tǒng)。并運(yùn)用該系統(tǒng)可以對(duì)采集到的熒光數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，與其他光譜的測(cè)量譜線一致性好。

【關(guān)鍵詞】光譜測(cè)量 單色儀 虛擬儀器

1前言

隨著科技的發(fā)展，光致發(fā)光技術(shù)越來(lái)越引起人們的關(guān)注，光致發(fā)光是指，當(dāng)光受到如光照、外加電場(chǎng)或電子束等的激發(fā)后，物質(zhì)吸收外界能量，其電子處于激發(fā)態(tài)，只要物質(zhì)不因此而發(fā)生化學(xué)變化，當(dāng)外界激發(fā)停止后，處于激發(fā)態(tài)的電子總會(huì)躍遷回到基態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，一部分多余的能量通過(guò)光的形式釋放出來(lái)。稱為發(fā)光現(xiàn)象。光致發(fā)光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于顯示、激光器、照明、傳感等各個(gè)領(lǐng)域。

光致發(fā)光可分為上轉(zhuǎn)換發(fā)光和下轉(zhuǎn)換發(fā)光，上轉(zhuǎn)換能夠通過(guò)多光子機(jī)制把長(zhǎng)波輻射轉(zhuǎn)成短波輻射，發(fā)射出比激發(fā)光波長(zhǎng)短的熒光。下轉(zhuǎn)換是把一個(gè)高能光子轉(zhuǎn)換成兩個(gè)或者兩個(gè)以上低能光子的效應(yīng)。無(wú)論研究上轉(zhuǎn)換或者是下轉(zhuǎn)換，熒光光譜測(cè)量都是非常的重要。

目前廣泛應(yīng)用的熒光光譜測(cè)試儀市面上有很多種，價(jià)位基本在30萬(wàn)元以上，本課題基于實(shí)驗(yàn)室已有的光柵單色儀，光電倍增管等設(shè)備，設(shè)計(jì)一套熒光測(cè)試系統(tǒng)，一方面實(shí)現(xiàn)了已有設(shè)備的升級(jí)改造，另一方面更加清晰熒光測(cè)試的基本原理，意義很大，本論文主要介紹熒光光譜測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)。

2硬件設(shè)計(jì)的總體方案

本文是基于實(shí)驗(yàn)室已有的設(shè)備，結(jié)合LabVIEW技術(shù)開(kāi)發(fā)一套熒光測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

樣品所發(fā)出的熒光包含不同波長(zhǎng)成分的光在里面，熒光經(jīng)過(guò)光柵單色儀的分光作用，可以把各個(gè)波長(zhǎng)的光分別測(cè)到，光電探測(cè)器這里我們選用的是光電倍增管，因?yàn)槲覀兯杉降臒晒庑盘?hào)比較微弱，因此需要應(yīng)用光電倍增管使其放大。對(duì)于信號(hào)的采集部分我們采用的是斬波器與鎖相放大器相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的采集。期中本系統(tǒng)中難點(diǎn)之一就是控制電路的設(shè)計(jì)，一方面控制電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵單色儀的步進(jìn)電機(jī)的控制，另一方面還需與計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)通信。

3光柵單色儀控制電路的設(shè)計(jì)

光柵單色儀在本系統(tǒng)中是一個(gè)重要的硬件設(shè)備，其中的光柵用于實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光起到分光的作用，通過(guò)控制光柵的角度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光的反射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)光的測(cè)量，我們所使用的光柵單色儀可以實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)為lnm的精確測(cè)量。這就涉及到對(duì)光柵旋轉(zhuǎn)角度的控制，在光柵單色儀的內(nèi)部有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵的控制，我們所設(shè)計(jì)的光柵單色儀的控制電路就是控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)控制光柵的旋轉(zhuǎn)角度。這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)光柵單色儀旋轉(zhuǎn)到某一角度，單色儀輸出某一波長(zhǎng)的光，光電倍增光實(shí)現(xiàn)光的放大，鎖相放大器實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)監(jiān)測(cè)，把測(cè)量結(jié)果送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄，然后計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，給控制電路，是的控制電路驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而使得光柵旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)測(cè)量。

3.熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)的搭建

在完成光柵單色儀的控制電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試后，就可以將已有的設(shè)備進(jìn)行連接，其中還有一步技術(shù)做LABVIEW虛擬儀器平臺(tái)的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)流程如圖2所示。整個(gè)熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、步進(jìn)電機(jī)控制、數(shù)據(jù)處理分析等功能。

4.熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試

應(yīng)用我們搭建的熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)我們實(shí)驗(yàn)室已有的熒光樣品進(jìn)行了測(cè)試，因?yàn)槲覀兪褂玫氖枪怆姳对龉?，?shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，因此測(cè)量范圍300-800nm，根據(jù)我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，以及光柵單色儀的精度，我們的步長(zhǎng)是1nm，對(duì)已有的樣品Er3+/YB3+：Y2O3熒光粉，采用980nm的激光作為泵浦光進(jìn)行了測(cè)量，得到了較好的測(cè)量結(jié)果。與其他光譜儀的測(cè)量光譜一致性較好，證明了我們系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

5.總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)，完成了硬件部分的搭建，以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度的熒光光譜測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，另外該系統(tǒng)能夠基于LabVIEW的開(kāi)發(fā)平臺(tái)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目功能要求進(jìn)行功能擴(kuò)展。因此本系統(tǒng)一方面實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室原有設(shè)備的升級(jí)改造，另一方面也得到了一個(gè)功能可以拓展的熒光光譜測(cè)量?jī)x器。