Trefwoorden: VPH Solid-phase holografisch rooster, transmissiespectrofotometer, reflectiespectrometer, Czerny-Turner optisch pad.
1. Overzicht
De glasvezelspectrometer kan worden geclassificeerd als reflectie en transmissie, afhankelijk van het type diffractierooster.Een diffractierooster is in feite een optisch element, met een groot aantal op gelijke afstanden geplaatste patronen, hetzij op het oppervlak, hetzij intern.Het is een glasvezelspectrometer met kritische componenten.Wanneer het licht interageert met dit rooster, verspreidt het zich in verschillende hoeken, bepaald door verschillende golflengten, via een fenomeen dat bekend staat als lichtdiffractie.
Boven: Discriminatiereflectiespectrometer (links) en transmissiespectrometer (rechts)
Diffractieroosters worden over het algemeen in twee typen ingedeeld: reflectie- en transmissieroosters.Reflectieroosters kunnen verder worden onderverdeeld in vlakke reflectieroosters en concave roosters, terwijl transmissieroosters kunnen worden onderverdeeld in transmissieroosters van het groeftype en volumefase-holografische (VPH) transmissieroosters.Dit artikel introduceert voornamelijk de reflectantiespectrometer van het plane blaze-roostertype en de VPH-transmissiespectrometer van het roostertype.
Boven: reflectierooster (links) en transmissierooster (rechts).
Waarom kiezen de meeste spectrometers nu voor roosterdispersie in plaats van voor prisma?Het wordt voornamelijk bepaald door de spectrale principes van het rooster.Het aantal lijnen per millimeter op het rooster (lijndichtheid, eenheid: lijnen/mm) bepaalt de spectrale mogelijkheden van het rooster.Een hogere roosterlijndichtheid resulteert in een grotere spreiding van licht van verschillende golflengten nadat het door het rooster is gegaan, wat leidt tot een hogere optische resolutie.Over het algemeen omvatten de beschikbare dichtheden en roostergroeven 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600, enz., waarmee wordt voldaan aan de vereisten voor verschillende spectrale bereiken en resoluties.Terwijl prismaspectroscopie wordt beperkt door de dispersie van glasmaterialen, waarbij de dispersieve eigenschap van glas het spectroscopische vermogen van het prisma bepaalt.Omdat de dispersieve eigenschappen van glasmaterialen beperkt zijn, is het een uitdaging om flexibel te voldoen aan de eisen van verschillende spectrale toepassingen.Daarom wordt het zelden gebruikt in commerciële miniatuurglasvezelspectrometers.
Onderschrift: Spectrale effecten van verschillende roostergroefdichtheden in het bovenstaande diagram.
De figuur toont dispersiespectrometrie van wit licht door glas en diffractiespectrometrie door een rooster.
De ontwikkelingsgeschiedenis van roosters begint met het klassieke "Young's dubbelspletenexperiment": In 1801 ontdekte de Britse natuurkundige Thomas Young de interferentie van licht met behulp van een dubbelspletenexperiment.Monochromatisch licht dat door dubbele spleten ging, vertoonde afwisselend heldere en donkere randen.Het dubbelspletenexperiment valideerde eerst dat licht kenmerken vertoont die vergelijkbaar zijn met watergolven (de golfkarakteristiek van licht), wat een sensatie veroorzaakte in de natuurkundegemeenschap.Vervolgens voerden verschillende natuurkundigen interferentie-experimenten met meerdere spleten uit en observeerden het diffractiefenomeen van licht door roosters.Later ontwikkelde de Franse natuurkundige Fresnel de basistheorie van roosterdiffractie door de wiskundige technieken van de Duitse wetenschapper Huygens te combineren, op basis van deze resultaten.
De figuur toont Young's interferentie met dubbele spleet aan de linkerkant, met afwisselend heldere en donkere randen.Multi-spleet diffractie (rechts), verdeling van gekleurde banden in verschillende orden.
2. Reflecterende spectrometer
De reflectiespectrometers maken doorgaans gebruik van een optisch pad dat bestaat uit een vlak diffractierooster en concave spiegels, ook wel het optische pad van Czerny-Turner genoemd.Het bestaat doorgaans uit een spleet, een vlak brandrooster, twee concave spiegels en een detector.Deze configuratie wordt gekenmerkt door een hoge resolutie, weinig strooilicht en een hoge optische doorvoer.Nadat het lichtsignaal door een smalle spleet is binnengekomen, wordt het eerst gecollimeerd tot een parallelle straal door een concave reflector, die vervolgens een vlak diffractief rooster treft waar de samenstellende golflengten onder verschillende hoeken worden afgebogen.Tenslotte focust een concave reflector het afgebogen licht op een fotodetector en worden de signalen van verschillende golflengten geregistreerd door pixels op verschillende posities op de fotodiodechip, waardoor uiteindelijk een spectrum ontstaat.Typisch bevat een reflectiespectrometer ook enkele diffractie-onderdrukkende filters van de tweede orde en kolomlenzen om de kwaliteit van de uitgangsspectra te verbeteren.
De figuur toont een kruistype CT-spectrometer voor een optische pad.
Er moet worden vermeld dat Czerny en Turner niet de uitvinders van dit optische systeem zijn, maar worden herdacht vanwege hun uitmuntende bijdragen op het gebied van de optica: de Oostenrijkse astronoom Adalbert Czerny en de Duitse wetenschapper Rudolf W. Turner.
Het optische pad van Czerny-Turner kan over het algemeen in twee typen worden ingedeeld: gekruist en ongevouwen (M-type).Het gekruiste optische pad/M-type optische pad is compacter.Hier vertoont de links-rechts symmetrische verdeling van twee concave spiegels ten opzichte van het vlakke rooster wederzijdse compensatie van aberraties buiten de as, wat resulteert in een hogere optische resolutie.De SpectraCheck® SR75C glasvezelspectrometer maakt gebruik van een optisch pad van het M-type en bereikt een hoge optische resolutie tot 0,15 nm in het ultraviolette bereik van 180-340 nm.
Boven: Optisch pad van het kruistype/optisch pad van het uitgebreide type (M-type).
Daarnaast bestaat er naast vlakke blaasroosters ook een concaaf blaasrooster.Het concave blaze-rooster kan worden opgevat als een combinatie van een concave spiegel en een rooster.Daarom bestaat een concave uitbarstingsroosterspectrometer alleen uit een spleet, een concaaf uitbarstingsrooster en een detector, wat resulteert in een hoge stabiliteit.Het concave lichtrooster stelde echter eisen aan zowel de richting als de afstand van het invallende diffractielicht, waardoor de beschikbare opties beperkt werden.
Boven: concave roosterspectrometer.
Posttijd: 26 december 2023