Článok 2: Čo je spektrometer z optických vlákien a ako si vybrať vhodnú štrbinu a vlákno?
Vláknové optické spektrometre v súčasnosti predstavujú prevládajúcu triedu spektrometrov.Táto kategória spektrometra umožňuje prenos optických signálov cez kábel z optických vlákien, často nazývaný prepojka z optických vlákien, čo uľahčuje zvýšenú flexibilitu a pohodlie pri spektrálnej analýze a konfigurácii systému.Na rozdiel od konvenčných veľkých laboratórnych spektrometrov vybavených ohniskovou vzdialenosťou typicky v rozsahu od 300 mm do 600 mm a využívajúcimi skenovacie mriežky, spektrometre s optickými vláknami využívajú pevné mriežky, čím sa eliminuje potreba rotujúcich motorov.Ohniskové vzdialenosti týchto spektrometrov sú typicky v rozsahu 200 mm, alebo môžu byť ešte kratšie, do 30 mm alebo 50 mm.Tieto prístroje sú veľmi kompaktné a bežne sa označujú ako miniatúrne spektrometre z optických vlákien.
Miniatúrny vláknový spektrometer
Miniatúrny spektrometer z optických vlákien je v priemysle obľúbenejší vďaka svojej kompaktnosti, nákladovej efektívnosti, schopnosti rýchlej detekcie a pozoruhodnej flexibilite.Miniatúrny spektrometer s optickými vláknami typicky obsahuje štrbinové, konkávne zrkadlo, mriežku, CCD/CMOS detektor a pridružené riadiace obvody.Je pripojený k softvéru hostiteľského počítača (PC) pomocou kábla USB alebo sériového kábla, aby sa dokončil zber spektrálnych údajov.
Štruktúra spektrometra z optických vlákien
Spektrometer s optickými vláknami je vybavený adaptérom rozhrania pre optické vlákna, ktorý poskytuje bezpečné pripojenie pre optické vlákno.Vláknové rozhrania SMA-905 sa používajú vo väčšine spektrometrov s optickými vláknami, ale niektoré aplikácie vyžadujú FC/PC alebo neštandardné vláknové rozhrania, ako napríklad valcové viacjadrové vláknové rozhranie s priemerom 10 mm.
Vláknové rozhranie SMA905 (čierne), vláknové rozhranie FC/PC (žlté).Na rozhraní FC/PC je slot na polohovanie.
Optický signál po prechode cez optické vlákno najskôr prejde cez optickú štrbinu.Miniatúrne spektrometre zvyčajne používajú nenastaviteľné štrbiny, kde je šírka štrbiny pevná.Optický spektrometer JINSP ponúka štandardné šírky štrbín 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm a 200 μm v rôznych špecifikáciách a prispôsobenia sú tiež k dispozícii podľa požiadaviek používateľa.
Zmena šírky štrbiny môže bežne ovplyvniť svetelný tok a optické rozlíšenie, tieto dva parametre vykazujú kompromisný vzťah.Menšia šírka štrbiny, vyššie optické rozlíšenie, aj keď na úkor zníženého svetelného toku.Je dôležité poznamenať, že rozšírenie štrbiny na zvýšenie svetelného toku má obmedzenia alebo je nelineárne.Podobne zmenšenie štrbiny má obmedzenia v dosiahnuteľnom rozlíšení.Používatelia musia posúdiť a vybrať vhodnú štrbinu v súlade so svojimi skutočnými požiadavkami, ako je uprednostnenie svetelného toku alebo optického rozlíšenia.V tomto ohľade technická dokumentácia poskytnutá pre spektrometre s optickými vláknami JINSP obsahuje komplexnú tabuľku korelujúcu šírky štrbín s ich zodpovedajúcimi úrovňami rozlíšenia, ktorá slúži ako cenná referencia pre používateľov.
Úzka medzera
Tabuľka na porovnanie rozlíšenia štrbiny
Používatelia pri nastavovaní systému spektrometra musia zvoliť vhodné optické vlákna na príjem a prenos signálov do polohy štrbiny spektrometra.Pri výbere optických vlákien je potrebné zvážiť tri dôležité parametre.Prvým parametrom je priemer jadra, ktorý je dostupný v rade možností vrátane 5 μm, 50 μm, 105 μm, 200 μm, 400 μm, 600 μm a ešte väčších priemerov nad 1 mm.Je dôležité poznamenať, že zväčšenie priemeru jadra môže zvýšiť energiu prijatú na prednom konci optického vlákna.Šírka štrbiny a výška CCD/CMOS detektora však obmedzujú optické signály, ktoré môže spektrometer prijímať.Takže zvýšenie priemeru jadra nemusí nevyhnutne zlepšiť citlivosť.Používatelia by si mali zvoliť vhodný priemer jadra na základe skutočnej konfigurácie systému.Pre spektrometre B&W Tek využívajúce lineárne CMOS detektory v modeloch ako SR50C a SR75C s konfiguráciou štrbiny 50 μm sa na príjem signálu odporúča použiť optické vlákno s priemerom jadra 200 μm.Pre spektrometre s CCD detektormi s vnútornou oblasťou v modeloch ako SR100B a SR100Z môže byť vhodné zvážiť hrubšie optické vlákna, napríklad 400 μm alebo 600 μm, na príjem signálu.
Rôzne priemery optických vlákien
Signál z optických vlákien pripojený k štrbine
Druhým aspektom je rozsah prevádzkových vlnových dĺžok a materiály optických vlákien.Materiály optických vlákien zvyčajne zahŕňajú vlákna s vysokým OH (vysoký hydroxyl), Low-OH (nízky hydroxyl) a vlákna odolné voči UV žiareniu.Rôzne materiály majú rôzne prenosové charakteristiky vlnovej dĺžky.Optické vlákna s vysokým OH sa zvyčajne používajú v oblasti ultrafialového/viditeľného svetla (UV/VIS), zatiaľ čo vlákna s nízkym OH sa používajú v oblasti blízkej infračervenej oblasti (NIR).Pre ultrafialový rozsah je potrebné zvážiť špeciálne vlákna odolné voči UV žiareniu.Používatelia by si mali vybrať vhodné optické vlákno na základe svojej prevádzkovej vlnovej dĺžky.
Tretím aspektom je hodnota numerickej apertúry (NA) optických vlákien.V dôsledku princípov vyžarovania optických vlákien je vyžarované svetlo z konca vlákna obmedzené v určitom rozsahu uhla divergencie, ktorý je charakterizovaný hodnotou NA.Optické vlákna s viacerými režimami majú vo všeobecnosti hodnoty NA 0,1, 0,22, 0,39 a 0,5 ako bežné možnosti.Ak vezmeme ako príklad najbežnejšiu 0,22 NA, znamená to, že bodový priemer vlákna po 50 mm je približne 22 mm a po 100 mm je priemer 44 mm.Pri navrhovaní spektrometra výrobcovia zvyčajne zvažujú čo najpresnejšie prispôsobenie hodnoty NA optického vlákna, aby sa zabezpečil maximálny príjem energie.Okrem toho hodnota NA optického vlákna súvisí so spojením šošoviek na prednom konci vlákna.Hodnota NA šošovky by sa mala čo najviac zhodovať s hodnotou NA vlákna, aby sa predišlo strate signálu.
Hodnota NA optického vlákna určuje uhol divergencie optického lúča
Ak sa optické vlákna používajú v spojení so šošovkami alebo konkávnymi zrkadlami, hodnota NA by sa mala čo najviac zhodovať, aby sa zabránilo strate energie
Vláknové optické spektrometre prijímajú svetlo v uhloch určených ich hodnotou NA (numerická apertúra).Dopadajúci signál bude plne využitý, ak NA dopadajúceho svetla je menšia alebo rovná NA spektrometra.Strata energie nastáva, keď je NA dopadajúceho svetla väčšia ako NA spektrometra.Okrem prenosu optickými vláknami možno na zber svetelných signálov použiť aj optickú spojku vo voľnom priestore.To zahŕňa konvergáciu paralelného svetla do štrbiny pomocou šošoviek.Pri použití optických dráh vo voľnom priestore je dôležité vybrať vhodné šošovky s hodnotou NA zodpovedajúcou hodnote spektrometra a zároveň zabezpečiť, aby bola štrbina spektrometra umiestnená v ohnisku šošovky, aby sa dosiahol maximálny svetelný tok.
Optická spojka voľného priestoru
Čas odoslania: 13. decembra 2023