摘要

本測(cè)量報(bào)告根據(jù)硬度等級(jí)，介紹了彩色寶石吸收光譜分析的結(jié)果。使用Thunder Optics公司的SMA-E光譜儀和光纖，測(cè)量了可見光譜范圍（約400 nm至750 nm）內(nèi)的特征吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系。測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)以光譜吸收?qǐng)D和光譜色條的形式呈現(xiàn)。兩者均使用Spectragryph軟件進(jìn)行計(jì)算。接下來的章節(jié)將介紹研究動(dòng)機(jī)、測(cè)量設(shè)置、照明和寶石中的光照情況。在解釋性章節(jié)的最后，給出了結(jié)論和未來工作的展望。實(shí)驗(yàn)結(jié)果按寶石類型分組，并列于附錄中。后續(xù)將對(duì)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充和修訂。

引言

寶石學(xué)實(shí)驗(yàn)室和機(jī)構(gòu)投入大量資金購(gòu)置設(shè)備，用于分析天然、合成、堆疊和處理過的寶石。他們的興趣在于通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證寶石的所有物理、光學(xué)、礦物學(xué)和化學(xué)特性。而業(yè)余愛好者通常預(yù)算有限，無法在分析設(shè)備上投入如此多的資金。

在過去的幾十年里，微型光學(xué)和光電系統(tǒng)投入了更多研發(fā)力量。因此，更微型的USB二極管陣列光譜儀才有可能進(jìn)入市場(chǎng)。但大多數(shù)廉價(jià)的USB微型光譜儀無法提供良好的光譜分辨率，而這對(duì)于寶石或礦物分析至關(guān)重要。它們通常設(shè)計(jì)用于快速、原始的光譜分辨率，以滿足顏色或材料分析的工業(yè)應(yīng)用需求。對(duì)于此類應(yīng)用，在可見光(VIS)和/或近紅外(NIR)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，約10納米的低分辨率就足夠了。但寶石和礦物晶體的吸收光譜分析需要更高的分辨率，分辨率應(yīng)提高約10倍。

為了克服這一難題，Thunder Optics 推出了性能更強(qiáng)大的 SMA-E 光譜儀。其技術(shù)規(guī)格，尤其是探測(cè)器靈敏度和光譜分辨率，均得到了提升。此外，其性價(jià)比也十分出色。這正是 Thunder Optics 投資 SMA-E 光譜儀的根本原因和動(dòng)機(jī)。這類光譜儀為業(yè)余愛好者、學(xué)生和小型實(shí)驗(yàn)室提供了開展光譜分析的可能性。

測(cè)量設(shè)置

本研究使用的測(cè)量裝置如圖1所示，包含一個(gè)寬帶白光源、一臺(tái)光譜儀、一個(gè)物體支架以及一臺(tái)裝有分析軟件的上網(wǎng)本，用于計(jì)算和顯示測(cè)量的光譜數(shù)據(jù)。

照明燈為肖特公司的KL1500型。它包含一個(gè)歐司朗公司的Xenophot HLX 64 634 EFR 15 V 150 W鹵素?zé)?，并帶有集成式后鏡反射器。燈系統(tǒng)中的另一個(gè)光學(xué)元件是吸熱濾光玻璃，其后接一個(gè)聚光透鏡。

燈光耦合到一根直徑約9 mm、端面拋光平整的玻璃光纖束。光纖束經(jīng)過短距離分束后，被分成兩束直徑分別為4.5 mm的獨(dú)立玻璃光纖束。鹵素?zé)艄獾牡湫凸庾V隨波長(zhǎng)變化曲線如圖2所示。

圖2. 白光鹵素?zé)舻墓庾V強(qiáng)度線圖

歐司朗 Xenophot HLX 64 634 EFR 15 V 150 W；

該燈在 400 至 700 nm 的可見光范圍內(nèi)具有連續(xù)的寬帶強(qiáng)度功率。

圖 3. LED 的光譜強(qiáng)度線圖

與圖 2 中的強(qiáng)度分布圖相比，LED 在 475 至 700 之間的功率較小。

光譜圖和色條由 Spectragryph 處理。

所用的光譜儀是 Thunder Optics 的 SMA-E 光譜儀。該光譜儀校準(zhǔn)后的可見-近紅外 (VIS-NIR) 光譜范圍為 380 nm 至 930 nm。狹縫寬度為 100 µm，與芯徑/包層直徑分別為 100/125 µm 的 MMF 型多模光纖匹配。光纖跳線兩端均配有標(biāo)準(zhǔn) SMA 連接器 SMA905。光纖長(zhǎng)度約為半米。光纖的自由端可靈活調(diào)整位置，對(duì)準(zhǔn)被測(cè)寶石，而光纖束端則以固定位置照射寶石。將寶石放置在平坦的載體上或抓住橫笛手指展開彈簧支架，兩者一起固定在位。

照明與導(dǎo)光

為了獲得高對(duì)比度、有意義的吸收光譜，照明與導(dǎo)光是本研究的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)部分。必須對(duì)穿過寶石的光束進(jìn)行良好的調(diào)節(jié)，以獲得足夠的固有吸收，從而獲得特征光譜曲線與波長(zhǎng)的關(guān)系。為了獲得更好的對(duì)比度，避免光譜儀探測(cè)器單元出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，須最大限度地減少干擾光（例如反光、雜散光和非傳播光）。因此，拋光寶石的尺寸不應(yīng)過小，并且寬度和高度的比例應(yīng)保持良好。這意味著，底部和冠部之間的比例應(yīng)足夠高，這取決于寶石的折射率，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部全反射。

如果寶石因亭部刻面的不規(guī)則透射（外耦合）而損失了傳播光（即所謂的“開窗”），那么測(cè)量的光強(qiáng)度可能并非吸收分析的條件。

圖 4、圖 5 和圖 6 展示了使用 GemCad程序計(jì)算的一些光線軌跡草圖。模擬結(jié)果表明，這種行為取決于寶石的比例以及寶石刻面不同方向上的光線照射。

圖 4a. 橢圓形寶石幾何形狀

光線從頂部射入鉆石臺(tái)面和冠部刻面，并應(yīng)沿著較長(zhǎng)的幾何軸在內(nèi)部傳播。內(nèi)部光傳播距離越長(zhǎng)，測(cè)量的特征吸收就越大。

對(duì)于這種方向，底角對(duì)于1.8的折射率來說太小。因此，大部分光會(huì)在短距離后耦合出去。只有一小部分內(nèi)部傳播的光可用于測(cè)量。

圖 4b. 橢圓形寶石幾何形狀

光線從頂部射入臺(tái)面和冠部刻面，并應(yīng)沿短幾何軸在內(nèi)部傳播。

在此方向上，切工特性良好，折射率為1.8，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部全反射。

所有射入的光線均從臺(tái)面和冠部刻面的另一側(cè)耦合輸出，可用于測(cè)量。

圖 5a. 圓形寶石幾何形狀

光線從頂部射入臺(tái)面和冠部刻面，應(yīng)通過內(nèi)部全反射傳播。本例中，亭部角度僅為30°，折射率為1.8，因此太小。所有射入的光線都通過亭部刻面耦合射出。

寶石有漏窗。只有部分光線沿內(nèi)部較長(zhǎng)路徑傳播，或許可以進(jìn)行分析。

圖 6. 圓形切割

光線從頂部射入臺(tái)面和冠部刻面，并通過內(nèi)部全反射傳播。本例中，亭角為42°，折射率為1.8。所有射入的光線在臺(tái)面和冠部刻面耦合射出。寶石無漏窗。

所有光線均沿最長(zhǎng)的內(nèi)部路徑傳播，可供分析。

圖 6 中的方位更利于使用，因?yàn)樗c圖 4 和圖 5a 中描述的問題無關(guān)。寶石被倒置在一個(gè)平坦的托架上。燈光照射到寶石的亭部刻面，并從亭部刻面的另一側(cè)耦合出來，而內(nèi)部的光線在臺(tái)面上完全反射。因此，本報(bào)告中測(cè)量的所有刻面寶石均采用此方法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

白光光譜為隨機(jī)偏振，并非特定耦合到寶石的晶軸上。因此，光譜吸收曲線無法針對(duì)軸取向偏振態(tài)進(jìn)行討論。所有圖均通過偏移量減法和可見光范圍內(nèi)最高吸收峰的歸一化來優(yōu)化對(duì)比度。因此，a) 近無色或高透明度寶石中小吸收線和 b) 低吸收線的可見性得以改善。此外，在光譜吸收曲線下方額外添加的光譜色條，可以更好地顯示吸收線和較寬的吸收帶。光譜圖和色條與波長(zhǎng)的關(guān)系由 Spectragryph軟件生成。

有時(shí)，使用 OPL的手持式目鏡光譜儀來控制被測(cè)寶石的吸收峰和吸收帶的可見性。

不同的吸收隨波長(zhǎng)的變化通常被理解為不同單顆或多顆寶石的典型特征，例如鉆石、剛玉、鈹、金綠玉、尖晶石、托帕石、石榴石、鋯石、電氣石，以及最后一類稀有寶石，主要按硬度等級(jí)分類。測(cè)量的吸收光譜圖一方面可以與參考書進(jìn)行比較，另一方面可以與互聯(lián)網(wǎng)上提供的光譜線圖進(jìn)行比較。

通常，顏色是由自由電子躍遷或電子與客體金屬離子相互作用電荷轉(zhuǎn)移（IVCT）引起的，這些離子在宿主晶體基質(zhì)的缺陷位置上存在微小的偏差。這些過渡元素主要包括鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳和銅，它們以純礦石和混合離子的形式存在。根據(jù)顏色的強(qiáng)度，光譜分析或多或少地顯示出與波長(zhǎng)相關(guān)的特征吸收。

結(jié)論與展望

本報(bào)告介紹了使用 Thunder Optics公司的 SMA-E 光譜儀對(duì)寶石進(jìn)行光譜吸收測(cè)量的結(jié)果。測(cè)量結(jié)果以光譜曲線與波長(zhǎng)的關(guān)系圖繪制，并為每個(gè)測(cè)量結(jié)果繪制了彩色光譜條。數(shù)據(jù)處理和記錄使用了功能強(qiáng)大且功能全面的 Spectragryph軟件。測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量光導(dǎo)也進(jìn)行了詳細(xì)討論。

如果寶石具有明顯的雙折射性，則應(yīng)進(jìn)行更深入的測(cè)量，并根據(jù)偏振進(jìn)行光譜分析。此外，應(yīng)重新對(duì)具有變色效應(yīng)（關(guān)鍵詞：多色性）的寶石進(jìn)行表征。