Artykuł 2: Co to jest spektrometr światłowodowy i jak wybrać odpowiednią szczelinę i włókno?
Spektrometry światłowodowe stanowią obecnie dominującą klasę spektrometrów.Ta kategoria spektrometrów umożliwia transmisję sygnałów optycznych za pomocą kabla światłowodowego, często zwanego zworą światłowodową, co zapewnia większą elastyczność i wygodę w analizie widmowej i konfiguracji systemu.W przeciwieństwie do konwencjonalnych dużych spektrometrów laboratoryjnych wyposażonych w ogniskowe zwykle w zakresie od 300 mm do 600 mm i wykorzystujących siatki skanujące, spektrometry światłowodowe wykorzystują stałe siatki, eliminując potrzebę stosowania silników obrotowych.Ogniskowe tych spektrometrów mieszczą się zazwyczaj w zakresie 200 mm lub mogą być nawet krótsze, do 30 mm lub 50 mm.Przyrządy te mają bardzo kompaktowe rozmiary i są powszechnie nazywane miniaturowymi spektrometrami światłowodowymi.
Miniaturowy spektrometr światłowodowy
Miniaturowy spektrometr światłowodowy jest bardziej popularny w przemyśle ze względu na jego zwartość, opłacalność, możliwości szybkiego wykrywania i niezwykłą elastyczność.Miniaturowy spektrometr światłowodowy zazwyczaj składa się ze szczeliny, zwierciadła wklęsłego, siatki, detektora CCD/CMOS i powiązanego obwodu sterującego.Jest podłączony do oprogramowania komputera głównego (PC) za pomocą kabla USB lub kabla szeregowego, aby zakończyć gromadzenie danych widmowych.
Budowa spektrometru światłowodowego
Spektrometr światłowodowy wyposażony jest w adapter interfejsu światłowodowego, zapewniający bezpieczne połączenie światłowodu.Interfejsy światłowodowe SMA-905 są stosowane w większości spektrometrów światłowodowych, jednak niektóre zastosowania wymagają interfejsów FC/PC lub niestandardowych interfejsów światłowodowych, takich jak cylindryczny wielordzeniowy interfejs światłowodowy o średnicy 10 mm.
Interfejs światłowodowy SMA905 (czarny), interfejs światłowodowy FC/PC (żółty).W interfejsie FC/PC znajduje się gniazdo umożliwiające pozycjonowanie.
Sygnał optyczny po przejściu przez światłowód najpierw przejdzie przez szczelinę optyczną.Miniaturowe spektrometry zazwyczaj wykorzystują nieregulowane szczeliny, których szerokość jest stała.Spektrometr światłowodowy JINSP oferuje standardowe szerokości szczeliny 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm i 200 μm w różnych specyfikacjach, a dostosowania są również dostępne zgodnie z wymaganiami użytkownika.
Zmiana szerokości szczeliny może zwykle wpływać na strumień światła i rozdzielczość optyczną; te dwa parametry wykazują zależność kompromisową.Węższa szerokość szczeliny oznacza wyższą rozdzielczość optyczną, choć kosztem zmniejszonego strumienia światła.Należy zauważyć, że poszerzanie szczeliny w celu zwiększenia strumienia światła ma ograniczenia lub jest nieliniowe.Podobnie zmniejszenie szczeliny wiąże się z ograniczeniami osiągalnej rozdzielczości.Użytkownicy muszą ocenić i wybrać odpowiednią szczelinę zgodnie z ich rzeczywistymi wymaganiami, takimi jak nadanie priorytetu strumieniowi światła lub rozdzielczości optycznej.W tym względzie dokumentacja techniczna spektrometrów światłowodowych JINSP zawiera obszerną tabelę korelującą szerokości szczelin z odpowiadającymi im poziomami rozdzielczości, służącą jako cenne odniesienie dla użytkowników.
Wąska szczelina
Tabela porównawcza rozdzielczości szczeliny
Użytkownicy konfigurując system spektrometru muszą wybrać odpowiednie włókna światłowodowe do odbioru i przesyłania sygnałów do położenia szczeliny spektrometru.Przy wyborze włókien optycznych należy wziąć pod uwagę trzy ważne parametry.Pierwszym parametrem jest średnica rdzenia, która jest dostępna w szerokim zakresie możliwości, w tym 5 μm, 50 μm, 105 μm, 200 μm, 400 μm, 600 μm, a nawet większe średnice powyżej 1 mm.Należy zauważyć, że zwiększenie średnicy rdzenia może zwiększyć energię odbieraną na przednim końcu światłowodu.Jednakże szerokość szczeliny i wysokość detektora CCD/CMOS ograniczają sygnały optyczne odbierane przez spektrometr.Zatem zwiększenie średnicy rdzenia niekoniecznie poprawia czułość.Użytkownicy powinni wybrać odpowiednią średnicę rdzenia w oparciu o rzeczywistą konfigurację systemu.W przypadku spektrometrów B&W Tek wykorzystujących liniowe detektory CMOS w modelach takich jak SR50C i SR75C, z konfiguracją szczeliny 50 μm, do odbioru sygnału zaleca się użycie światłowodu o średnicy rdzenia 200 μm.W przypadku spektrometrów z detektorami CCD obszaru wewnętrznego w modelach takich jak SR100B i SR100Z, do odbioru sygnału może być wskazane zastosowanie grubszych włókien optycznych, np. 400 μm lub 600 μm.
Różne średnice światłowodów
Sygnał światłowodowy doprowadzony do szczeliny
Drugim aspektem jest zakres długości fal roboczych i materiały włókien optycznych.Materiały światłowodowe zazwyczaj obejmują włókna o wysokiej zawartości OH (wysoko hydroksylowe), o niskiej zawartości OH (nisko hydroksylowe) i włókna odporne na promieniowanie UV.Różne materiały mają różną charakterystykę transmisji długości fali.Włókna optyczne o wysokiej zawartości OH są zwykle stosowane w zakresie światła ultrafioletowego/widzialnego (UV/VIS), natomiast włókna o niskiej zawartości OH są stosowane w zakresie bliskiej podczerwieni (NIR).W przypadku zakresu ultrafioletu należy rozważyć specjalne włókna odporne na promieniowanie UV.Użytkownicy powinni wybrać odpowiedni światłowód w oparciu o długość fali roboczej.
Trzecim aspektem jest wartość apertury numerycznej (NA) włókien optycznych.Ze względu na zasady emisyjne włókien optycznych, światło emitowane z końcówki światłowodu ogranicza się do pewnego zakresu kąta rozbieżności, który charakteryzuje się wartością NA.Włókna światłowodowe wielomodowe zazwyczaj mają wartości NA wynoszące 0,1, 0,22, 0,39 i 0,5 jako typowe opcje.Biorąc za przykład najpopularniejszy 0,22 NA, oznacza to, że średnica plamki włókna po 50 mm wynosi około 22 mm, a po 100 mm średnica wynosi 44 mm.Projektując spektrometr, producenci zazwyczaj rozważają możliwie najbliższe dopasowanie wartości NA światłowodu, aby zapewnić maksymalny odbiór energii.Dodatkowo wartość NA światłowodu jest związana ze sprzężeniem soczewek na przednim końcu światłowodu.Wartość NA soczewki powinna być również jak najbliżej dopasowana do wartości NA światłowodu, aby uniknąć utraty sygnału.
Wartość NA światłowodu określa kąt rozbieżności wiązki optycznej
W przypadku stosowania światłowodów w połączeniu z soczewkami lub zwierciadłami wklęsłymi wartość NA powinna być jak najbardziej dopasowana, aby uniknąć strat energii
Spektrometry światłowodowe odbierają światło pod kątami określonymi przez wartość NA (apertury numerycznej).Sygnał padający będzie w pełni wykorzystany, jeżeli NA padającego światła będzie mniejsze lub równe NA tego spektrometru.Strata energii występuje, gdy NA padającego światła jest większe niż NA spektrometru.Oprócz transmisji światłowodowej do zbierania sygnałów świetlnych można zastosować sprzężenie optyczne w wolnej przestrzeni.Polega to na skupieniu światła równoległego w szczelinie za pomocą soczewek.W przypadku korzystania ze ścieżek optycznych w wolnej przestrzeni ważne jest, aby wybrać odpowiednie soczewki o wartości NA odpowiadającej wartości spektrometru, przy jednoczesnym zapewnieniu, że szczelina spektrometru znajduje się w ognisku soczewki, aby uzyskać maksymalny strumień światła.
Sprzężenie optyczne w wolnej przestrzeni
Czas publikacji: 13 grudnia 2023 r