光纖光譜儀在珠寶鑒定中的應(yīng)用與發(fā)展

【摘要】在珠寶鑒定領(lǐng)域，光纖光譜憑借體積小、成本低、速度快等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛地應(yīng)用。本文將在分析光纖光譜儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研討光纖光譜儀在珠寶鑒定中的應(yīng)用原理，并借助紅藍(lán)寶石、黃紫晶、翡翠、云母等珠寶的鑒定實(shí)例，明確光線光譜儀在珠寶鑒定中的應(yīng)用方法，以此折射出光纖光譜儀的應(yīng)用發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】珠寶鑒定；光纖光譜儀；應(yīng)用發(fā)展

一、光纖光譜儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

在傳統(tǒng)光譜儀的基礎(chǔ)上，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推陳出新，耗費(fèi)約原來(lái)造價(jià)的1/10，所設(shè)計(jì)微小型的光纖光譜儀不僅體積小和重量輕，而且具有更快的測(cè)量速度，所獲得的全譜數(shù)據(jù)也更加全面。這種類型的光纖光譜儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（一）光學(xué)平臺(tái)

光纖光譜儀借助攝譜結(jié)構(gòu)的光學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)SMA905接口，為光信號(hào)提供光纖傳導(dǎo)的信號(hào)，并在準(zhǔn)直、分光、波長(zhǎng)排列、聚焦等之后，通過(guò)陣列式的探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，其中分光結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部由CCD陣列檢測(cè)器、光纖束、光柵、光纖接頭、入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡幾個(gè)部分構(gòu)成，可安裝在手掌大小的測(cè)量平臺(tái)上，即可憑借反射式的光學(xué)元件完成檢測(cè)任務(wù)，不僅適用于高震動(dòng)或者狹窄的工況環(huán)境，而且不會(huì)受到檢測(cè)材料的影響。

（二）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光纖光譜儀所引入的光纖、檢測(cè)器、光柵和半導(dǎo)體等，功能損耗率低，并且不會(huì)產(chǎn)生噪音污染，該效用歸功于其優(yōu)良的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：首先是引入光纖技術(shù)之后，不需要通過(guò)樣品池即可將樣品光譜引入儀器內(nèi)，因此任何形狀和位置的樣品，在檢測(cè)時(shí)都不會(huì)受到外界干擾，譬如電磁干擾、潮濕腐蝕等；其次是檢測(cè)器為CCD陣列模式，在進(jìn)行光譜掃描時(shí)候，光柵不需要移動(dòng)就能夠快速采集，所耗費(fèi)的測(cè)量時(shí)間最多為15ms；儀器的分光器件為全息光柵，這種類型的分光器件能夠有效規(guī)避雜散光的影響，對(duì)于測(cè)量精度的提高具有極大幫助。

（三）光纖探頭采樣方式

光纖光譜儀采用在線監(jiān)測(cè)的方式，主要借助光纖傳導(dǎo)技術(shù)，其探頭可以在高溫和腐蝕環(huán)境下采樣。譬如反射式的光纖探頭，由采樣探頭、光纖束、接頭源、接頭譜儀組成，可以將光源發(fā)出的光耦合通過(guò)接頭傳導(dǎo)至探頭末端，并通過(guò)被測(cè)表面反射到光譜儀中進(jìn)行檢測(cè)。

二、光纖光譜儀在珠寶鑒定中的應(yīng)用

基于光纖光譜儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在珠寶鑒定中應(yīng)用時(shí)，需要明確光纖光譜儀在可見(jiàn)吸收光譜測(cè)量、厚度測(cè)量、顏色測(cè)量等方面的應(yīng)用原理，并以紅藍(lán)寶石、黃紫晶、翡翠、云母等珠寶鑒定為例探討應(yīng)用的具體方法。

（一）應(yīng)用原理

光纖光譜儀的應(yīng)用，其應(yīng)用原理可歸納為可見(jiàn)吸收光譜測(cè)量、厚度測(cè)量、顏色測(cè)量幾個(gè)方面。

（1）可見(jiàn)吸收光譜測(cè)量。光纖光譜儀根據(jù)比爾—瑯勃定律，定量吸收可見(jiàn)光，譬如CCD陣列探測(cè)器的紫外光譜技術(shù)，能夠用于檢測(cè)珠寶的摩爾吸收系數(shù)，避免分離檢測(cè)的繁瑣流程，能夠在線快速檢測(cè)出可見(jiàn)吸收光譜。

（2）厚度測(cè)量。根據(jù)干涉測(cè)量原理的內(nèi)容，光纖光譜儀可以1.5mm的分辨率，測(cè)量珠寶25，因此在珠寶高精度加工的生產(chǎn)線上，可作為質(zhì)量監(jiān)測(cè)的一種方式。

（3）顏色測(cè)量。珠寶的生色基團(tuán)，在360-760nm的光范圍內(nèi)，通過(guò)光纖光譜儀測(cè)量，可以利用顏色空間的Lad值表示，同時(shí)借助透射探頭、反射探頭等，能夠控制不同珠寶在生產(chǎn)過(guò)程中的顏色質(zhì)量。

（二）應(yīng)用實(shí)例

在明確光纖光譜儀在珠寶鑒定中應(yīng)用原理的基礎(chǔ)上，在此以合成紅藍(lán)寶石、黃紫晶、翡翠、云母四種珠寶的鑒定為例，研討光纖光譜儀的具體應(yīng)用方法。

（1）合成紅藍(lán)寶石鑒定。紅寶石的透光率光譜以透光率和波長(zhǎng)作為縱橫指標(biāo)，利用光纖光譜儀，測(cè)量紅寶石的可見(jiàn)光透過(guò)率，測(cè)量結(jié)果為：波長(zhǎng)410nm的透光率為31%；波長(zhǎng)475nm的透光率為10%；波長(zhǎng)694.3nm的透光率為169%；波長(zhǎng)707nm的透光率為80%；波長(zhǎng)714nm的透光率為85%。以上透光率說(shuō)明合成紅寶石的吸收光譜特性，取決于Cr3+離子的吸收帶，在級(jí)間躍遷時(shí)分別吸收2.14eV和3.01eV的能量，其相對(duì)應(yīng)的吸收峰為410nm和541.155nm波長(zhǎng)，而波長(zhǎng)694.3nm和693.4nm的可見(jiàn)光光譜特征校準(zhǔn)后，基本與理論描述值相同。至于合成藍(lán)寶石的鑒定，除了Fe3+所引起的吸收帶具有差異性，其吸收譜線與合成紅寶石基本相同，因此光纖光譜儀對(duì)合成藍(lán)寶石的鑒定方式可以套用，但需要對(duì)鑒定過(guò)程中的差異點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

（2）黃紫晶鑒定。黃晶可見(jiàn)光吸收譜線處于波動(dòng)狀態(tài)，但總體呈下降態(tài)勢(shì)，最后趨向于平穩(wěn)，在波長(zhǎng)443nm時(shí)，吸收度為0.8au，在波長(zhǎng)550nm時(shí)，吸收度為1.0au，在波長(zhǎng)646nm時(shí)，吸收度為0.8au，隨后波長(zhǎng)增加，吸收度不再升高，而且逐漸平穩(wěn)，根據(jù)分析結(jié)果，可以確定以波長(zhǎng)550nm為中心的吸收帶，在受到電磁波的輻照后，F(xiàn)e3+離子的成對(duì)電子被激發(fā)，從而產(chǎn)生[FeO4]4，即空穴色心，當(dāng)空穴色心在吸收可見(jiàn)光之后，就會(huì)產(chǎn)生顏色。而黃晶紫外可見(jiàn)吸收度光譜顯示，波長(zhǎng)482nm的吸收度為0.8au，波長(zhǎng)646nm的吸收度為0.5au，說(shuō)明黃晶吸光度光譜的特征吸收峰不明顯，相比于透明度具有較大差異性的紫晶，后者在可見(jiàn)光區(qū)的透光率比較低，僅在波長(zhǎng)550nm的位置有吸收峰，在紅區(qū)位置的吸收度直線下降，由此可以判斷黃晶和紫晶的顏色，與晶體中的Fe2+有關(guān)。

（3）翡翠鑒定。翡翠是硬玉和其他小礦物的合成物，其綠色源自于硬玉和礦物中的Cr、Ti、Fe等元素。我們利用光纖光譜儀對(duì)翡翠的透光率進(jìn)行測(cè)量，可得出結(jié)果：波長(zhǎng)399nm的透過(guò)率為12%；波長(zhǎng)437nm的透過(guò)率為9.3%；波長(zhǎng)508nm的透過(guò)率為13.5%；波長(zhǎng)630nm的透過(guò)率為10%；波長(zhǎng)738nm的透過(guò)率為11%；波長(zhǎng)860nm的透過(guò)率為10%。根據(jù)翡翠透過(guò)率的光譜測(cè)量結(jié)果，可看出波長(zhǎng)630nm、660nm、690nm時(shí)，翡翠對(duì)鉻吸收，而且鉻線越清晰，翡翠的綠色就會(huì)約濃艷。

（4）云母鑒別。云母屬于鋁硅酸鹽礦物，利用光纖光譜儀對(duì)其透光率進(jìn)行測(cè)量，可得出結(jié)果：波長(zhǎng)656nm的透光率為1.3%；波長(zhǎng)687nm的透光率為1.0%；波長(zhǎng)761nm的透光率為0.25%。以上三個(gè)位置的波長(zhǎng)，云母的透過(guò)率光譜均有特征峰，可以用于對(duì)云母的鑒定。

（三）應(yīng)用發(fā)展

珠寶鑒定對(duì)波普技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠區(qū)分寶石的特征，而且能夠在擺脫寶石物質(zhì)形態(tài)限制的情況下，采用無(wú)損的方式鑒定出珠寶內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和成分，是當(dāng)前珠寶鑒定的重要技術(shù)手段。而關(guān)于光纖光譜儀在珠寶鑒定中的應(yīng)用發(fā)展，可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）光纖光譜儀對(duì)珠寶不同波長(zhǎng)的光，具有選擇性吸收的功能，譬如紫外可見(jiàn)吸收光譜，這是光纖光譜儀鑒定的基礎(chǔ)依據(jù)。隨著珠寶鑒定要求的提高，光纖光譜儀還需要利用分光鏡等獲取珠寶的可見(jiàn)吸收光譜，但由于設(shè)備體積比較大，因此越來(lái)越多微小型的光纖光譜儀應(yīng)運(yùn)而生，為珠寶鑒定工作注入了新的技術(shù)力量，并且鑒定儀器的波長(zhǎng)分辨率、峰高量化、波長(zhǎng)數(shù)值精確測(cè)量等，均有較大的改善空間。

（2）對(duì)于光纖光譜儀的研究，筆者認(rèn)為還應(yīng)該進(jìn)一步改善波長(zhǎng)的覆蓋范圍、波長(zhǎng)分辨率等，賦予光纖光譜儀新的化學(xué)分析功能，譬如通過(guò)元件性能的改良，以合理的成本改善中階梯光柵，并與棱鏡結(jié)合和交叉色散，就能夠獲得分辨率比較高的二維光譜圖，并且可以根據(jù)光譜儀本身的結(jié)構(gòu)特征和鑒定環(huán)境，因地制宜地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）以眾多微小型的加工技術(shù)為基礎(chǔ)，光纖光譜儀成為各種特殊條件下的鑒定儀器，在珠寶鑒定中，對(duì)鑒定的要求更高，因此智能化和微型化的鑒定技術(shù)逐漸成為光纖光譜儀的重點(diǎn)技術(shù)，微型傳感就是核心技術(shù)之一，目前各種新原理的概念型傳感器，是目前光纖光譜儀智能化發(fā)展的一個(gè)機(jī)遇。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在傳統(tǒng)光譜儀的基礎(chǔ)上，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推陳出新，耗費(fèi)約原來(lái)造價(jià)的1/10，所設(shè)計(jì)微小型的光纖光譜儀不僅體積小和重量輕，而且具有更快的測(cè)量速度，所獲得的全譜數(shù)據(jù)也更加全面，而在珠寶鑒定中應(yīng)用時(shí)，需要明確光纖光譜儀在可見(jiàn)吸收光譜測(cè)量、厚度測(cè)量、顏色測(cè)量等方面的應(yīng)用原理，并針對(duì)不同的珠寶進(jìn)行鑒定。文章通過(guò)研究，基本明確了光纖光譜儀在珠寶鑒定中的應(yīng)用方法，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)性概況，存在的細(xì)節(jié)性問(wèn)題，有待在實(shí)際工作中進(jìn)一步歸納和完善。

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