| 发布日期：2025-03-15 |
摘要：光谱仪在辐照度测量中表现卓越，通过分解复色光并测量单色光强度，精确计算光谱辐照度，广泛应用于环境科学、农业、工业、生物医学等领域。其高灵敏度、宽波长范围、模块化设计和便携性等优势，为研究人员提供了可靠工具，推动了相关领域的发展。
在科学研究与工业生产的众多领域中，精确测量辐照度至关重要。从太阳能光伏产业对太阳辐射能量的把控，到生物医学研究中光对细胞作用的探究，辐照度的准确测定都起着关键作用。而光谱仪作为一种强大的光学分析仪器，在辐照度测试方面展现出了卓越的性能。
随着科技的飞速发展，人们对光的利用愈发深入和广泛。无论是在新能源的开发与利用，如太阳能电池的效率提升，还是在农业生产中通过调节光照促进作物生长，亦或是在环境监测中评估太阳辐射对生态系统的影响，都离不开对辐照度的精确测量。辐照度，即单位面积上所接受的辐射功率，它反映了光能量的强度分布情况。不同波长的光具有不同的能量，对各种物质和系统产生的作用也各不相同。因此，准确测量不同波长下的辐照度，对于理解光与物质的相互作用机制，优化相关技术和产品性能具有重要意义。
2.1 光辐射与辐照度
光辐射是指以电磁波形式发射、传播或接收的能量。辐照度（E）的定义为单位面积（A）上接收到的辐射通量（Φ），单位为 W/m²，其计算公式如下：
E = Φ / A
在实际测量中，我们关注的往往是光谱辐照度，它表示单位波长间隔内的辐照度，记为E（λ），单位为 W/(m²・nm)。光谱辐照度能更细致地反映光能量在不同波长上的分布，用于表征波长λ处单位波长的辐射功率密度。光谱仪通过测量各波长点的辐射强度，积分计算总辐照度：
其中，E(λ)为光谱辐照度，积分范围覆盖目标光源的波长区间。
2.2 光谱仪测量原理
光谱仪通过将复色光分解为不同波长的单色光，并测量各单色光的强度来获取光谱信息。当光源发出的光经过光纤传输至光谱仪后，光谱仪利用内部的光学系统（如光栅）将光按波长色散，不同波长的光被探测器接收并转换为电信号，经信号处理后得到光强随波长变化的光谱曲线。通过积分光谱曲线下各波长的光强，结合探测器的光谱响应函数和校准系数，即可计算出辐照度。这一过程需要精确的光学设计和信号处理技术，以确保测量结果的准确性和可靠性。
辐照度测量依赖于光谱仪这一核心设备。在辐照度测量中，光谱仪通过接收来自标准光源或待测光源的光线，将其分散成不同波长的光谱，并通过探测器将光信号转换为电信号进行记录和分析。通过分析光谱数据，可以计算出待测物的辐照度、辐射通量等关键参数。
Ø高灵敏度：光谱仪具有较高的灵敏度，能够精确检测微弱光信号并分辨细微波长差异。这对于测量低强度光源或分析光谱细节至关重要。
Ø宽波长范围：光谱仪能够覆盖广泛的波长范围，从紫外（UV）到可见光再到近红外（NIR）。这种宽波长范围的覆盖使得光谱仪能够测量不同波段的辐照度，从而提供全面的光谱信息
Ø模块化设计和灵活性：光谱仪采用模块化设计，可以灵活搭配不同附件，如积分球、余弦校正器等，以适应多种测量场景和光源类型。这种灵活性使得光谱仪能够轻松集成到不同的实验设置中，满足各种研究需求。
Ø实时测量和数据分析：光谱仪能够进行实时测量和数据分析，提供即时的光谱信息。这使得研究人员可以快速获取和分析数据，及时调整实验条件，提高研究效率。
Ø便携性和易用性：光谱仪设计紧凑，便携性强，易于操作和维护。这使得光谱仪可以方便地携带到不同的实验现场，进行现场测量。
Ø高性价比：光谱仪的价格相对较低，且维护成本低，具有很高的性价比。这使得更多的研究机构和个人能够负担得起光谱仪，广泛应用于各种研究和工业领域。
通过这些技术优势，光谱仪在辐照度测量中表现出色，为研究人员提供了精确、可靠和灵活的测量工具，极大地促进了相关领域的研究和发展。
4.1 环境科学与生态学
（1）生态系统研究：光谱仪在生态系统研究中发挥着重要作用，特别是在研究植物凋落物分解过程中。通过测量不同波长的UV辐射，研究人员可以评估UV辐射对植物凋落物分解的影响。
（2）气候变化研究：光谱仪在气候变化研究中也有广泛应用。通过测量太阳辐射的光谱分布和辐照度，研究人员可以评估气候变化对太阳辐射的影响。
（3）环境监测：光谱仪在环境监测中用于测量各种光源的辐照度，包括太阳辐射、人工光源等。通过精确测量这些光源的光谱分布，研究人员可以评估环境中的光污染水平，以及不同光源对生态系统和人类健康的影响。
4.2 农业与植物科学
（1）植物生理研究
光谱仪在植物生理研究中用于测量植物叶片的光谱反射率和吸收特性。通过分析这些光谱数据，研究人员可以评估植物的光合作用效率、叶片健康状况以及对不同环境条件的适应能力。
（2）LED光照对植物生长的影响
光谱仪在LED光照对植物生长影响的研究中也有重要应用。通过测量LED光源的辐照度和光谱分布，研究人员可以评估不同波长的光对植物生长和发育的影响。
4.3 工业应用
（1）材料光谱分析
光谱仪在材料科学中用于分析材料的光谱反射率和吸收特性。通过测量材料在不同波长下的光谱响应，研究人员可以评估材料的光学性能和组成结构。
（2）工业过程监测
光谱仪在工业过程中用于监测和控制各种光源的辐照度和光谱分布。此外，光谱仪还可以用于监测工业炉窑的辐射温度和光谱分布，帮助优化燃烧过程和提高能效。
4.4 生物医学
（1）生物医学研究
光谱仪在生物医学研究中用于测量生物组织和细胞的光谱特性。通过分析这些光谱数据，研究人员可以评估生物组织的健康状况、疾病诊断和治疗效果。
（2）医疗设备测试
光谱仪在医疗设备测试中用于测量医疗设备的光源辐照度和光谱分布。例如，光谱仪可以用于测试激光手术设备的光源强度和光谱分布，确保设备的性能和安全性。
4.5 食品安全与质量控制
（1）食品成分分析
光谱仪在食品安全和质量控制中用于分析食品的光谱特性，评估食品的成分和质量。例如，光谱仪可以用于测量食品的水分含量、蛋白质含量和脂肪含量，帮助确保食品的质量和安全。
（2）食品加工过程监测
光谱仪在食品加工过程中用于监测和控制加工条件。例如，光谱仪可以用于测量食品加工过程中的光照强度和光谱分布，帮助优化加工条件，提高食品质量和安全性。
4.6 教育与科研
（1）教学实验
光谱仪在教育领域中用于教学实验，帮助学生理解光谱分析的基本原理和应用。例如，光谱仪可以用于测量不同光源的光谱分布，帮助学生学习光谱分析技术。
（2）科研项目
光谱仪在科研项目中广泛应用于各种研究领域，包括物理学、化学、生物学和环境科学等。通过精确测量光源的光谱分布和辐照度，研究人员可以进行各种实验和研究，推动科学研究的发展。
通过这些应用领域，我们可以看到光谱仪在辐照度测量中的广泛用途和重要性。它为研究人员提供了一种精确、可靠和灵活的测量工具，极大地促进了相关领域的研究和发展。
5.1 设备搭建
典型的光谱仪辐照度测试系统主要由光谱仪、积分球、光源、光纤以及数据采集与处理系统组成。积分球和光纤用于均匀收集光源发出的光，并将其引入光谱仪。光谱仪可将光信号转换为电信号，数据采集与处理系统则负责采集和分析探测器输出的信号，最终得到光谱辐照度数据。光源可以是太阳模拟器、卤钨灯等模拟不同的光照条件。
图1 辐照度测试系统搭建示意图
5.2 使用步骤
系统校准：在测量前，需要使用标准光源对光谱仪进行辐照度标定，以确保测量结果的准确性。通常使用已知光谱辐照度的标准光源对光谱仪进行定标，校正仪器的波长和强度响应。
样品准备与安装：根据测试需求，准备好待测试的样品，并将其安装在合适的位置，确保样品能够接收到均匀的光照。
测量参数设置：在光谱仪的数据采集软件中，根据所测光谱数据，调节合适的积分时间。
数据采集与分析：启动光源，光谱仪开始采集数据，得到光谱辐照度随波长变化的曲线。通过数据分析软件，可以对采集到的数据进行进一步处理，如计算特定波长范围内的辐照度总和、峰值波长及对应的辐照度等。
5.3 推荐配置
表1 推荐配置
Bin Wei等人使用光谱仪由如海光电提供的XSM11639光谱仪（现产品MS2000）测量了两种塑料材料（透明压克力和UV吸收聚碳酸酯）的光谱辐照度，用于验证不同UV辐射处理对植物凋落物分解的影响。
6.1 研究背景
大气氮（N）沉降显著改变了陆地生物地球化学循环，凋落物分解作为碳和养分循环的关键过程，对外部氮输入较为敏感。然而，目前对于紫外线（UV）辐射、土壤生物多样性与传统驱动因素（如凋落物化学性质和微生物活动）之间的相互作用如何调节凋落物分解对持续氮输入的响应尚不清楚。紫外线辐射被认为是干旱和半干旱生态系统中凋落物分解的重要驱动因素，它既能通过非生物光降解作用分解有机物，又能通过产生易分解的有机化合物间接刺激微生物分解。但额外的氮输入可能会导致植被冠层更加茂密，限制植物凋落物接受紫外线辐射，进而抑制凋落物分解。因此，研究氮输入下紫外线辐射对凋落物分解的影响具有重要意义，而精确测量紫外线辐照度是该研究的关键环节。
6.2 实验结果
在多水平氮添加处理下，随着氮输入的增加，所有凋落物类型的分解速率均显著下降。通过逐步回归和变异分解分析发现，UV 辐射和微生物在很大程度上解释了紫花针茅（Stipa purpurea）凋落物分解的方差（分别为 62.1% 和 57.4%），其他三种凋落物类型也呈现出类似的趋势。在 UV 辐射操纵实验中，在 N0 处理下，衰减的 UV 辐射使凋落物分解减缓，凋落物质量损失比对照降低了 16.7%（P<0.05）；在 N32 处理下，全光照相比对照加速了凋落物分解，凋落物质量损失增加了 5.5%（P<0.05）。
氮输入导致的UV辐射减少和土壤细菌多样性降低抑制了植物凋落物的分解，挑战了传统观点，即凋落物化学和微生物活性的变化决定了植物凋落物分解对氮输入的响应。这一发现强调了在预测全球变化情景下陆地碳循环轨迹时，应将土壤生物多样性纳入地球系统模型中。
图2 不同辐射处理下的背景和两种塑料材料(a)和紫外辐射(b)的光谱辐照度
6.3 结论
通过这个应用案例，我们可以看到光谱仪在辐照度测量中的重要性和实用性。它为研究人员提供了一种精确测量UV辐射强度和分布的工具，从而帮助他们更好地理解生态系统中各种因素如何相互作用，影响植物凋落物的分解过程。
