摘要
本测量报告根据硬度等级，介绍了彩色宝石吸收光谱分析的结果。使用Thunder Optics公司的SMA-E光谱仪和光纤，测量了可见光谱范围（约400 nm至750 nm）内的特征吸收与波长的关系。测量的光谱数据以光谱吸收图和光谱色条的形式呈现。两者均使用Spectragryph软件进行计算。接下来的章节将介绍研究动机、测量设置、照明和宝石中的光照情况。在解释性章节的最后，给出了结论和未来工作的展望。实验结果按宝石类型分组，并列于附录中。后续将对结果进行补充和修订。
引言
宝石学实验室和机构投入大量资金购置设备，用于分析天然、合成、堆叠和处理过的宝石。他们的兴趣在于通过实验验证宝石的所有物理、光学、矿物学和化学特性。而业余爱好者通常预算有限，无法在分析设备上投入如此多的资金。
在过去的几十年里，微型光学和光电系统投入了更多研发力量。因此，更微型的USB二极管阵列光谱仪才有可能进入市场。但大多数廉价的USB微型光谱仪无法提供良好的光谱分辨率，而这对于宝石或矿物分析至关重要。它们通常设计用于快速、原始的光谱分辨率，以满足颜色或材料分析的工业应用需求。对于此类应用，在可见光(VIS)和/或近红外(NIR)波长范围内，约10纳米的低分辨率就足够了。但宝石和矿物晶体的吸收光谱分析需要更高的分辨率，分辨率应提高约10倍。
为了克服这一难题，Thunder Optics 推出了性能更强大的 SMA-E 光谱仪。其技术规格，尤其是探测器灵敏度和光谱分辨率，均得到了提升。此外，其性价比也十分出色。这正是 Thunder Optics 投资 SMA-E 光谱仪的根本原因和动机。这类光谱仪为业余爱好者、学生和小型实验室提供了开展光谱分析的可能性。
测量设置
本研究使用的测量装置如图1所示，包含一个宽带白光源、一台光谱仪、一个物体支架以及一台装有分析软件的上网本，用于计算和显示测量的光谱数据。
照明灯为肖特公司的KL1500型。它包含一个欧司朗公司的Xenophot HLX 64 634 EFR 15 V 150 W卤素灯，并带有集成式后镜反射器。灯系统中的另一个光学元件是吸热滤光玻璃，其后接一个聚光透镜。
灯光耦合到一根直径约9 mm、端面抛光平整的玻璃光纤束。光纤束经过短距离分束后，被分成两束直径分别为4.5 mm的独立玻璃光纤束。卤素灯光的典型光谱随波长变化曲线如图2所示。
图2. 白光卤素灯的光谱强度线图
欧司朗 Xenophot HLX 64 634 EFR 15 V 150 W；
该灯在 400 至 700 nm 的可见光范围内具有连续的宽带强度功率。
图 3. LED 的光谱强度线图
与图 2 中的强度分布图相比，LED 在 475 至 700 之间的功率较小。
光谱图和色条由 Spectragryph 处理。
所用的光谱仪是 Thunder Optics 的 SMA-E 光谱仪。该光谱仪校准后的可见-近红外 (VIS-NIR) 光谱范围为 380 nm 至 930 nm。狭缝宽度为 100 µm，与芯径/包层直径分别为 100/125 µm 的 MMF 型多模光纤匹配。光纤跳线两端均配有标准 SMA 连接器 SMA905。光纤长度约为半米。光纤的自由端可灵活调整位置，对准被测宝石，而光纤束端则以固定位置照射宝石。将宝石放置在平坦的载体上或抓住横笛手指展开弹簧支架，两者一起固定在位。
照明与导光
为了获得高对比度、有意义的吸收光谱，照明与导光是本研究的一个重要实验部分。必须对穿过宝石的光束进行良好的调节，以获得足够的固有吸收，从而获得特征光谱曲线与波长的关系。为了获得更好的对比度，避免光谱仪探测器单元出现饱和现象，须最大限度地减少干扰光（例如反光、杂散光和非传播光）。因此，抛光宝石的尺寸不应过小，并且宽度和高度的比例应保持良好。这意味着，底部和冠部之间的比例应足够高，这取决于宝石的折射率，从而实现内部全反射。
如果宝石因亭部刻面的不规则透射（外耦合）而损失了传播光（即所谓的“开窗”），那么测量的光强度可能并非吸收分析的条件。
图 4、图 5 和图 6 展示了使用 GemCad程序计算的一些光线轨迹草图。模拟结果表明，这种行为取决于宝石的比例以及宝石刻面不同方向上的光线照射。
图 4a. 椭圆形宝石几何形状
光线从顶部射入钻石台面和冠部刻面，并应沿着较长的几何轴在内部传播。内部光传播距离越长，测量的特征吸收就越大。
对于这种方向，底角对于1.8的折射率来说太小。因此，大部分光会在短距离后耦合出去。只有一小部分内部传播的光可用于测量。
图 4b. 椭圆形宝石几何形状
光线从顶部射入台面和冠部刻面，并应沿短几何轴在内部传播。
在此方向上，切工特性良好，折射率为1.8，可实现内部全反射。
所有射入的光线均从台面和冠部刻面的另一侧耦合输出，可用于测量。
图 5a. 圆形宝石几何形状
光线从顶部射入台面和冠部刻面，应通过内部全反射传播。本例中，亭部角度仅为30°，折射率为1.8，因此太小。所有射入的光线都通过亭部刻面耦合射出。
宝石有漏窗。只有部分光线沿内部较长路径传播，或许可以进行分析。
图 6. 圆形切割
光线从顶部射入台面和冠部刻面，并通过内部全反射传播。本例中，亭角为42°，折射率为1.8。所有射入的光线在台面和冠部刻面耦合射出。宝石无漏窗。
所有光线均沿最长的内部路径传播，可供分析。
图 6 中的方位更利于使用，因为它与图 4 和图 5a 中描述的问题无关。宝石被倒置在一个平坦的托架上。灯光照射到宝石的亭部刻面，并从亭部刻面的另一侧耦合出来，而内部的光线在台面上完全反射。因此，本报告中测量的所有刻面宝石均采用此方法。
实验结果
白光光谱为随机偏振，并非特定耦合到宝石的晶轴上。因此，光谱吸收曲线无法针对轴取向偏振态进行讨论。所有图均通过偏移量减法和可见光范围内最高吸收峰的归一化来优化对比度。因此，a) 近无色或高透明度宝石中小吸收线和 b) 低吸收线的可见性得以改善。此外，在光谱吸收曲线下方额外添加的光谱色条，可以更好地显示吸收线和较宽的吸收带。光谱图和色条与波长的关系由 Spectragryph软件生成。
有时，使用 OPL的手持式目镜光谱仪来控制被测宝石的吸收峰和吸收带的可见性。
不同的吸收随波长的变化通常被理解为不同单颗或多颗宝石的典型特征，例如钻石、刚玉、铍、金绿玉、尖晶石、托帕石、石榴石、锆石、电气石，以及最后一类稀有宝石，主要按硬度等级分类。测量的吸收光谱图一方面可以与参考书进行比较，另一方面可以与互联网上提供的光谱线图进行比较。
通常，颜色是由自由电子跃迁或电子与客体金属离子相互作用电荷转移（IVCT）引起的，这些离子在宿主晶体基质的缺陷位置上存在微小的偏差。这些过渡元素主要包括钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍和铜，它们以纯矿石和混合离子的形式存在。根据颜色的强度，光谱分析或多或少地显示出与波长相关的特征吸收。
结论与展望
本报告介绍了使用 Thunder Optics公司的 SMA-E 光谱仪对宝石进行光谱吸收测量的结果。测量结果以光谱曲线与波长的关系图绘制，并为每个测量结果绘制了彩色光谱条。数据处理和记录使用了功能强大且功能全面的 Spectragryph软件。测量系统和测量光导也进行了详细讨论。
如果宝石具有明显的双折射性，则应进行更深入的测量，并根据偏振进行光谱分析。此外，应重新对具有变色效应（关键词：多色性）的宝石进行表征。
苏州长显