Słowa kluczowe: Siatka holograficzna VPH w fazie stałej, Spektrofotometr transmitancji, Spektrometr odbicia, Droga optyczna Czerny'ego-Turnera.
1. Przegląd
Spektrometr światłowodowy ze względu na rodzaj siatki dyfrakcyjnej dzieli się na refleksyjny i transmisyjny.Siatka dyfrakcyjna jest w zasadzie elementem optycznym zawierającym dużą liczbę równomiernie rozmieszczonych wzorów na powierzchni lub wewnętrznie.Jest to krytyczny element spektrometru światłowodowego.Kiedy światło oddziałuje z tymi siatkami, rozprasza się pod różnymi kątami określonymi przez różne długości fal w wyniku zjawiska znanego jako dyfrakcja światła.
Powyżej: Spektrometr odbicia dyskryminacyjnego (po lewej) i spektrometr przepuszczalności (po prawej)
Siatki dyfrakcyjne dzieli się ogólnie na dwa typy: siatki refleksyjne i transmisyjne.Siatki refleksyjne można dalej podzielić na siatki odbiciowe płaskie i siatki wklęsłe, natomiast siatki transmisyjne można podzielić na siatki transmisyjne typu rowkowego i holograficzne siatki transmisyjne z fazą objętościową (VPH).W artykule przedstawiono głównie spektrometr odbicia z siatką płaską i spektrometr transmitancji z siatką VPH.
Powyżej: siatka refleksyjna (po lewej) i siatka transmisyjna (po prawej).
Dlaczego większość spektrometrów wybiera obecnie dyspersję siatkową zamiast pryzmatu?Zależy to przede wszystkim od zasad widmowych siatki.Liczba linii na milimetr siatki (gęstość linii, jednostka: linie/mm) określa możliwości widmowe siatki.Większa gęstość linii siatki powoduje większe rozproszenie światła o różnych długościach fal po przejściu przez siatkę, co prowadzi do wyższej rozdzielczości optycznej.Ogólnie dostępne i siatkowe gęstości rowków obejmują 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600 itd., Spełniając wymagania dla różnych zakresów widmowych i rozdzielczości.Natomiast spektroskopia pryzmatyczna jest ograniczona przez dyspersję materiałów szklanych, gdzie właściwość dyspersyjna szkła określa zdolność spektroskopową pryzmatu.Ponieważ właściwości dyspersyjne materiałów szklanych są ograniczone, elastyczne spełnianie wymagań różnych zastosowań spektralnych jest wyzwaniem.Dlatego jest rzadko stosowany w komercyjnych miniaturowych spektrometrach światłowodowych.
Podpis: Efekty widmowe różnych gęstości rowków siatki na powyższym schemacie.
Rysunek przedstawia spektrometrię dyspersyjną światła białego przez szkło i spektrometrię dyfrakcyjną przez siatkę.
Historia rozwoju siatek zaczyna się od klasycznego „eksperymentu Younga z podwójną szczeliną”: W 1801 roku brytyjski fizyk Thomas Young odkrył interferencję światła za pomocą eksperymentu z podwójną szczeliną.Monochromatyczne światło przechodzące przez podwójne szczeliny wykazywało naprzemienne jasne i ciemne prążki.Eksperyment z podwójną szczeliną po raz pierwszy potwierdził, że światło wykazuje cechy podobne do fal wodnych (falowa natura światła), wywołując sensację w społeczności fizyków.Następnie kilku fizyków przeprowadziło eksperymenty z interferencją na wielu szczelinach i zaobserwowało zjawisko dyfrakcji światła na siatkach.Później francuski fizyk Fresnel opracował podstawową teorię dyfrakcji siatkowej, łącząc techniki matematyczne zaproponowane przez niemieckiego naukowca Huygensa, opierając się na tych wynikach.
Rysunek przedstawia po lewej stronie interferencję Younga z podwójną szczeliną, z naprzemiennymi jasnymi i ciemnymi prążkami.Dyfrakcja na wielu szczelinach (po prawej), rozkład kolorowych pasm w różnych rzędach.
2. Spektrometr refleksyjny
Spektrometry refleksyjne zazwyczaj wykorzystują ścieżkę optyczną złożoną z płaskiej siatki dyfrakcyjnej i zwierciadeł wklęsłych, zwaną ścieżką optyczną Czerny'ego-Turnera.Zwykle składa się ze szczeliny, płaskiej siatki płonącej, dwóch zwierciadeł wklęsłych i detektora.Konfiguracja ta charakteryzuje się wysoką rozdzielczością, niskim poziomem światła rozproszonego i wysoką przepustowością optyczną.Gdy sygnał świetlny przechodzi przez wąską szczelinę, jest najpierw kolimowany w równoległą wiązkę przez wklęsły odbłyśnik, który następnie uderza w płaską siatkę dyfrakcyjną, w której składowe długości fal są uginane pod różnymi kątami.Wreszcie wklęsły odbłyśnik skupia ugięte światło na fotodetektorze, a sygnały o różnych długościach fal są rejestrowane przez piksele w różnych miejscach chipa fotodiody, ostatecznie generując widmo.Zazwyczaj spektrometr refleksyjny zawiera również filtry tłumiące dyfrakcję drugiego rzędu i soczewki kolumnowe, aby poprawić jakość widm wyjściowych.
Rysunek przedstawia spektrometr siatkowy typu krzyżowego CT.
Należy wspomnieć, że Czerny i Turner nie są wynalazcami tego układu optycznego, ale są upamiętniani za ich wybitny wkład w dziedzinę optyki – austriacki astronom Adalbert Czerny i niemiecki naukowiec Rudolf W. Turner.
Ścieżkę optyczną Czernego-Turnera można ogólnie podzielić na dwa typy: skrzyżowaną i rozłożoną (typ M).Skrzyżowana ścieżka optyczna/ścieżka optyczna typu M jest bardziej zwarta.Tutaj symetryczny rozkład lewy-prawy dwóch zwierciadeł wklęsłych względem płaskiej siatki wykazuje wzajemną kompensację aberracji pozaosiowych, co skutkuje wyższą rozdzielczością optyczną.Spektrometr światłowodowy SpectraCheck® SR75C wykorzystuje ścieżkę optyczną typu M, osiąga wysoką rozdzielczość optyczną do 0,15 nm w zakresie ultrafioletu 180-340 nm.
Powyżej: ścieżka optyczna typu krzyżowego/ścieżka optyczna typu rozszerzonego (typu M).
Dodatkowo oprócz rusztów płaskich występuje również ruszt wklęsły.Wklęsłą kratę ogniową można rozumieć jako połączenie zwierciadła wklęsłego i kraty.Dlatego spektrometr z wklęsłą siatką płomieniową składa się tylko ze szczeliny, wklęsłej siatki płomieniowej i detektora, co zapewnia wysoką stabilność.Jednakże wklęsła siatka blasku nakłada wymagania dotyczące zarówno kierunku, jak i odległości padającego światła ugiętego, ograniczając dostępne opcje.
Powyżej: Spektrometr z wklęsłą siatką.
Czas publikacji: 26 grudnia 2023 r