Kľúčové slová: VPH holografická mriežka v pevnej fáze, Transmitačný spektrofotometer, Reflektačný spektrometer, Czerny-Turnerova optická dráha.
1.Prehľad
Spektrometer z optických vlákien možno klasifikovať ako odrazový a priepustný podľa typu difrakčnej mriežky.Difrakčná mriežka je v podstate optický prvok s veľkým počtom rovnomerne rozmiestnených vzorov buď na povrchu alebo vo vnútri.Je to kritický komponentný optický spektrometer.Keď svetlo interaguje s týmito mriežkami, rozptýli sa do odlišných uhlov určených rôznymi vlnovými dĺžkami prostredníctvom javu známeho ako difrakcia svetla.
Hore: Diskriminačný odrazový spektrometer (vľavo) a spektrometer transmitancie (vpravo)
Difrakčné mriežky sú vo všeobecnosti rozdelené do dvoch typov: odrazové a transmisné mriežky.Odrazové mriežky možno ďalej rozdeliť na rovinné odrazové mriežky a konkávne mriežky, zatiaľ čo priepustné mriežky možno ďalej rozdeliť na priepustné mriežky drážkového typu a priepustné mriežky s objemovou fázou (VPH).Tento článok predstavuje hlavne odrazový spektrometer rovinnej mriežkovej mriežky a spektrometer priepustnosti mriežky VPH.
Hore: Odrazová mriežka (vľavo) a Transmisná mriežka (vpravo).
Prečo teraz väčšina spektrometrov volí mriežkovú disperziu namiesto hranolu?Je primárne určená spektrálnymi princípmi mriežky.Počet čiar na milimeter na mriežke (hustota čiar, jednotka: čiary/mm) určuje spektrálne schopnosti mriežky.Vyššia hustota čiar mriežky má za následok väčší rozptyl svetla rôznych vlnových dĺžok po prechode mriežkou, čo vedie k vyššiemu optickému rozlíšeniu.Vo všeobecnosti dostupné hustoty drážok a mriežky zahŕňajú 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600 atď., čo spĺňa požiadavky pre rôzne spektrálne rozsahy a rozlíšenia.Zatiaľ čo hranolová spektroskopia je obmedzená disperziou sklenených materiálov, kde disperzná vlastnosť skla určuje spektroskopickú schopnosť hranola.Keďže disperzné vlastnosti sklenených materiálov sú obmedzené, je náročné flexibilne spĺňať požiadavky rôznych spektrálnych aplikácií.Preto sa zriedka používa v komerčných miniatúrnych spektrometroch s optickými vláknami.
Popis: Spektrálne účinky rôznych hustôt drážok mriežky vo vyššie uvedenom diagrame.
Obrázok ukazuje disperznú spektrometriu bieleho svetla cez sklo a difrakčnú spektrometriu cez mriežku.
História vývoja mriežok sa začína klasickým „Youngovým experimentom s dvojitou štrbinou“: V roku 1801 britský fyzik Thomas Young objavil interferenciu svetla pomocou experimentu s dvojitou štrbinou.Monochromatické svetlo prechádzajúce cez dvojité štrbiny vykazovalo striedanie jasných a tmavých okrajov.Experiment s dvojitou štrbinou najprv potvrdil, že svetlo vykazuje vlastnosti podobné vodným vlnám (vlnová povaha svetla), čo spôsobuje senzáciu vo fyzikálnej komunite.Následne niekoľko fyzikov vykonalo experimenty s interferenciou s viacerými štrbinami a pozorovalo fenomén difrakcie svetla cez mriežky.Neskôr francúzsky fyzik Fresnel vyvinul základnú teóriu mriežkovej difrakcie kombináciou matematických techník, ktoré predložil nemecký vedec Huygens, čerpajúc z týchto výsledkov.
Obrázok ukazuje Youngovu interferenciu s dvojitou štrbinou vľavo so striedajúcimi sa jasnými a tmavými okrajmi.Viacštrbinová difrakcia (vpravo), distribúcia farebných pásov v rôznych rádoch.
2.Reflexný spektrometer
Reflexné spektrometre typicky využívajú optickú dráhu zloženú z rovinnej difrakčnej mriežky a konkávnych zrkadiel, označovanú ako Czerny-Turnerova optická dráha.Vo všeobecnosti pozostáva zo štrbiny, rovinnej mriežky, dvoch konkávnych zrkadiel a detektora.Táto konfigurácia sa vyznačuje vysokým rozlíšením, nízkym rozptylom svetla a vysokou optickou priepustnosťou.Potom, čo svetelný signál vstúpi cez úzku štrbinu, je najprv kolimovaný do paralelného lúča pomocou konkávneho reflektora, ktorý potom dopadá na rovinnú difrakčnú mriežku, kde sú vlnové dĺžky, ktoré tvoria súčasť, ohýbané pod rôznymi uhlami.Nakoniec konkávny reflektor sústreďuje difraktované svetlo na fotodetektor a signály rôznych vlnových dĺžok sa zaznamenávajú pixelmi v rôznych polohách na čipe fotodiódy, čím sa nakoniec generuje spektrum.Reflexný spektrometer zvyčajne obsahuje aj niektoré filtre potláčajúce difrakciu druhého rádu a stĺpcové šošovky na zlepšenie kvality výstupných spektier.
Obrázok ukazuje krížový CT spektrometer s optickou dráhou.
Malo by sa spomenúť, že Czerny a Turner nie sú vynálezcami tohto optického systému, ale sú uznávaní za ich vynikajúce príspevky v oblasti optiky – rakúsky astronóm Adalbert Czerny a nemecký vedec Rudolf W. Turner.
Czerny-Turnerova optická dráha môže byť vo všeobecnosti rozdelená do dvoch typov: skrížená a rozložená (typ M).Prekrížená optická dráha/optická dráha typu M je kompaktnejšia.Tu ľavo-pravé symetrické rozloženie dvoch konkávnych zrkadiel vzhľadom na rovinnú mriežku vykazuje vzájomnú kompenzáciu aberácií mimo osi, čo vedie k vyššiemu optickému rozlíšeniu.Optický spektrometer SpectraCheck® SR75C využíva optickú dráhu typu M a dosahuje vysoké optické rozlíšenie až do 0,15 nm v ultrafialovom rozsahu 180-340 nm.
Hore: Optická dráha krížového typu/optická dráha rozšíreného typu (typ M).
Okrem plochých požiarnych mriežok existuje aj konkávna požiarna mriežka.Konkávnu planžetovú mriežku možno chápať ako kombináciu konkávneho zrkadla a mriežky.Preto konkávny mriežkový spektrometer pozostáva len zo štrbiny, konkávnej mriežkovej mriežky a detektora, čo má za následok vysokú stabilitu.Konkávna požiarna mriežka však stanovila požiadavku na smer aj vzdialenosť dopadajúceho ohýbaného svetla, čo obmedzuje dostupné možnosti.
Hore: Spektrometer s konkávnou mriežkou.
Čas odoslania: 26. decembra 2023