【实验目的】

基于积分球的立体角空间采集光束能力，测量漫反射以及漫透射样品的反射率与透射率。

 

【实验用具】

用具名称	型号	数量	主要参数
光纤光谱仪	DL-FOSL-350-1050	1	工作波段350-1050 nm，分辨率1.3 nm，像素2048×1。
宽带卤钨灯源	DL-HL-350-2500-5W	1	功率5W ，电压12 V/2 A
光纤	DL-MM-SMA-600-350-2500-1	1	波长范围350-2500 nm，芯径600 μm，单芯。
透射测量支架	DL-SSH-RT	1	紫外级熔石英，透射接口类型SMA905。
镜面反射板	DL-SR-30-17-STD	1	高反Al材料，反射率85%-98%
反射式积分球	DL-ISP-1.5I3P-R	1	内径38 mm，反射率＞98%
透射式积分球	ISP-38-15-T	1	内径38 mm，反射率＞98%

 

【原理概述】

积分球由一个空心球形腔组成，其内部覆盖着漫反射白色反射涂层，带有用于入口和出口的小孔，涂层材料为具有高反射率的 PTFE、镀金、MgO、BaSO₄ 等。通过积分球入口入射到内表面任何点的光线通过多次散射反射均匀分布到所有其他点。积分球可以用于产生均匀光源，其圆孔径内所有位置的视强度均匀与方向无关；用于收集各个角度的光线，排除发散角对测量的影响，测量各个方向辐射总和；可以测量激光束的总功率，不受光束形状、入射方向和入射位置以及偏振的影响。同时积分球可用于研究样品的反射和吸收，球体产生一个参考辐射源，可用于提供光度标准。

 

图(1) 探头-积分球反射光谱测量

光线照射在样品表面时会根据样品表面粗糙度发生镜面反射与漫反射。采用光纤探头测量时容易会出现光谱曲线饱和，且为保证测量精度需固定探头位置并确保探头到样品表面与参考标准镜面距离一致。此外由于样品表面粗糙不规整带来的漫反射光不能全部由探头接收，因此借助探头测量样品反射率多为镜面反射率。不过采用光纤探头测量反射率时不受样品环境影响，可灵活表征，如测量材料原位生长时的反射率。

基于积分球的立体角空间采集效果可全方位采集镜面反射与漫反射光线。与此同时由于积分球表面均匀漫反射材料，镜面反射光可在内表面均匀反射，保证任意位点光强相同，均匀降低了光谱仪接收光源强度，避免了光谱仪饱和问题。基于积分球的光学特性计算所得反射率为全反射率，在测量结果上会略大于镜面反射结果。

图(2) 探头-积分球透射测量系统

同样的现象会出现在透射率测量方案中，受制于样品表面粗糙度规整，出射样品内部的光线会发生偏转，而非“正透射”，导致底端光纤接口不能完全采集透射光线。为解决这一问题同样可以采用透射式积分球进行改进，透过样品的所以反射光线可以全部由积分球采集，并多次均化后也避免了光谱仪信号饱和问题，基于积分球光学特性计算所得透射率为全透射率，在测量结果上会大于正透射结果。

【实验内容】

1、在暗室环境中，调整载物台高度，使得入光方向的光纤弯曲小于光纤芯经的200倍，在未接通电源的情况下，使用一根光纤连接反射积分球（透射积分球）入光孔与卤钨光源，另一根光纤连接反射积分球/透射积分球侧面出光口与光谱仪，最后使用USB线将积分球与电脑进行连接。

2、打开光源开关，预热10分钟使光源信号稳定，打开软件，选择反射/（透射模式）。

3、把标准反射镜倒扣在样品孔处，使用光谱仪软件检测光源强度。在光谱仪软件界面通过调整积分时间来将光源强度调整至理想状态，并选择合适的平均次数，使得光源强度尽可能高，光谱曲线没有饱和。（使用光谱仪软件检测光源强度。在光谱仪软件界面通过调整积分时间来将光源强度调整至理想状态，并选择合适的平均次数，使得光源强度尽可能高，光谱曲线没有饱和。）

4、断开光源与光纤的连接，在软件界面重新测量一次数据，此时测量显示的是仪器的暗噪声，点击顶部按钮保存为暗光谱。

5、重新连接光源与积分球，测量一次数据，点击保存明光谱，点击扣除背景按钮，查看入射光强度的光谱分布。

6、取下标准反射镜，更换为待测镀膜样品置于样品孔处，点击顶部反射率，测量一次数据，显示待测样品的反射光谱，保存数据。（把样品放入透射积分球上方，点击顶部透射率，测量一次数据，显示待测样品的透射光谱，保存数据）

7、分析反射光谱图像（透射光谱图像），评估应用场景。