Λέξεις-κλειδιά: VPH ολογραφικό πλέγμα στερεάς φάσης, Φασματοφωτόμετρο διαπερατότητας, Φασματόμετρο ανάκλασης, Οπτική διαδρομή Czerny-Turner.
1.Επισκόπηση
Το φασματόμετρο οπτικών ινών μπορεί να ταξινομηθεί ως ανάκλαση και μετάδοση, ανάλογα με τον τύπο του πλέγματος περίθλασης.Ένα πλέγμα περίθλασης είναι βασικά ένα οπτικό στοιχείο, που διαθέτει μεγάλο αριθμό μοτίβων ίσης απόστασης είτε στην επιφάνεια είτε στο εσωτερικό.Είναι ένα φασματόμετρο οπτικών ινών κρίσιμου συστατικού.Όταν το φως αλληλεπιδρά με αυτά τα πλέγματα, διασκορπίστε σε διακριτές γωνίες που καθορίζονται από διαφορετικά μήκη κύματος μέσω ενός φαινομένου που είναι γνωστό ως περίθλαση φωτός.
Επάνω: Φασματόμετρο ανάκλασης διάκρισης (αριστερά) και φασματόμετρο διαπερατότητας (δεξιά)
Τα πλέγματα περίθλασης ταξινομούνται γενικά σε δύο τύπους: πλέγματα ανάκλασης και μετάδοσης.Οι ανακλαστικές σχάρες μπορούν περαιτέρω να διαιρεθούν σε πλέγματα επίπεδης ανάκλασης και κοίλες σχάρες, ενώ οι σχάρες μετάδοσης μπορούν να υποδιαιρεθούν σε σχάρες μετάδοσης τύπου αυλακιού και πλέγματα μετάδοσης ολογραφικής φάσης όγκου (VPH).Αυτό το άρθρο εισάγει κυρίως το φασματόμετρο ανακλαστικότητας τύπου πλέγματος φλας και το φασματόμετρο διαπερατότητας τύπου πλέγματος VPH.
Επάνω: Σχάρα ανάκλασης (αριστερά) και Σχάρα μετάδοσης (δεξιά).
Γιατί τώρα τα περισσότερα φασματόμετρα επιλέγουν τη διασπορά πλέγματος αντί για το πρίσμα;Καθορίζεται κυρίως από τις φασματικές αρχές του πλέγματος.Ο αριθμός των γραμμών ανά χιλιοστό στο πλέγμα (πυκνότητα γραμμής, μονάδα: γραμμές/mm) καθορίζει τις φασματικές δυνατότητες του πλέγματος.Μια υψηλότερη πυκνότητα γραμμής πλέγματος έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη διασπορά φωτός διαφορετικών μηκών κύματος μετά τη διέλευση από το πλέγμα, οδηγώντας σε υψηλότερη οπτική ανάλυση.Γενικά, οι διαθέσιμες πυκνότητες αυλακώσεων και οι πυκνότητες εσχάρας περιλαμβάνουν 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600, κ.λπ., που πληρούν τις απαιτήσεις για διάφορες φασματικές περιοχές και αναλύσεις.Ενώ, η φασματοσκοπία πρίσματος περιορίζεται από τη διασπορά των γυάλινων υλικών, όπου η ιδιότητα διασποράς του γυαλιού καθορίζει τη φασματοσκοπική ικανότητα του πρίσματος.Δεδομένου ότι οι ιδιότητες διασποράς των υλικών γυαλιού είναι περιορισμένες, είναι δύσκολο να ανταποκριθεί κανείς με ευελιξία στις απαιτήσεις διαφόρων φασματικών εφαρμογών.Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται σπάνια σε εμπορικά μικροσκοπικά φασματόμετρα οπτικών ινών.
Λεζάντα: Φασματικές επιδράσεις διαφορετικών πυκνοτήτων αυλάκωσης τριψίματος στο παραπάνω διάγραμμα.
Το σχήμα δείχνει φασματομετρία διασποράς λευκού φωτός μέσω γυαλιού και φασματομετρία περίθλασης μέσω πλέγματος.
Η ιστορία ανάπτυξης των σχάρων, ξεκινά με το κλασικό «πείραμα διπλής σχισμής του Young»: Το 1801, ο Βρετανός φυσικός Thomas Young ανακάλυψε την παρεμβολή του φωτός χρησιμοποιώντας ένα πείραμα διπλής σχισμής.Το μονοχρωματικό φως που περνούσε από διπλές σχισμές παρουσίαζε εναλλασσόμενα φωτεινά και σκοτεινά κρόσσια.Το πείραμα της διπλής σχισμής επικύρωσε αρχικά ότι το φως παρουσιάζει χαρακτηριστικά παρόμοια με τα κύματα του νερού (η κυματική φύση του φωτός), προκαλώντας μια αίσθηση στην κοινότητα της φυσικής.Στη συνέχεια, αρκετοί φυσικοί διεξήγαγαν πειράματα παρεμβολής πολλαπλών σχισμών και παρατήρησαν το φαινόμενο της περίθλασης του φωτός μέσω των σχάρων.Αργότερα, ο Γάλλος φυσικός Fresnel ανέπτυξε τη βασική θεωρία της περίθλασης με πλέγμα συνδυάζοντας τις μαθηματικές τεχνικές που πρότεινε ο Γερμανός επιστήμονας Huygens, αντλώντας από αυτά τα αποτελέσματα.
Το σχήμα δείχνει την παρεμβολή διπλής σχισμής του Young στα αριστερά, με εναλλασσόμενα φωτεινά και σκοτεινά κρόσσια.Περίθλαση πολλαπλών σχισμών (δεξιά), κατανομή έγχρωμων ζωνών σε διαφορετικές τάξεις.
2.Ανακλαστικό Φασματόμετρο
Τα φασματόμετρα ανάκλασης τυπικά χρησιμοποιούν μια οπτική διαδρομή που αποτελείται από ένα επίπεδο πλέγμα περίθλασης και κοίλα κάτοπτρα, που αναφέρονται ως οπτική διαδρομή Czerny-Turner.Αποτελείται γενικά από μια σχισμή, ένα επίπεδο πλέγμα, δύο κοίλα κάτοπτρα και έναν ανιχνευτή.Αυτή η διαμόρφωση χαρακτηρίζεται από υψηλή ανάλυση, χαμηλό φωτισμό και υψηλή οπτική απόδοση.Αφού το φωτεινό σήμα εισέλθει μέσω μιας στενής σχισμής, αρχικά ευθυγραμμίζεται σε μια παράλληλη δέσμη από έναν κοίλο ανακλαστήρα, ο οποίος στη συνέχεια προσκρούει σε ένα επίπεδο διαθλαστικό πλέγμα όπου τα συστατικά μήκη κύματος διαθλώνται σε διακριτές γωνίες.Τέλος, ένας κοίλος ανακλαστήρας εστιάζει το διαθλασμένο φως σε έναν φωτοανιχνευτή και τα σήματα διαφορετικών μηκών κύματος καταγράφονται από εικονοστοιχεία σε διαφορετικές θέσεις στο τσιπ της φωτοδιόδου, δημιουργώντας τελικά ένα φάσμα.Συνήθως, ένα φασματόμετρο ανάκλασης περιλαμβάνει επίσης μερικά φίλτρα καταστολής περίθλασης δεύτερης τάξης και φακούς στήλης για τη βελτίωση της ποιότητας των φασμάτων εξόδου.
Το σχήμα δείχνει ένα φασματόμετρο πλέγματος οπτικής διαδρομής CT διασταυρούμενου τύπου.
Πρέπει να αναφερθεί ότι ο Czerny και ο Turner δεν είναι οι εφευρέτες αυτού του οπτικού συστήματος, αλλά τιμούνται για την εξαιρετική συνεισφορά τους στον τομέα της οπτικής — ο Αυστριακός αστρονόμος Adalbert Czerny και ο Γερμανός επιστήμονας Rudolf W. Turner.
Η οπτική διαδρομή Czerny-Turner μπορεί γενικά να ταξινομηθεί σε δύο τύπους: διασταυρούμενη και ξεδιπλωμένη (τύπου M).Η διασταυρούμενη οπτική διαδρομή/ οπτική διαδρομή τύπου M είναι πιο συμπαγής.Εδώ, η συμμετρική κατανομή αριστερά-δεξιά δύο κοίλων κατόπτρων σε σχέση με το επίπεδο πλέγμα, παρουσιάζει αμοιβαία αντιστάθμιση των εκτροπών εκτός άξονα, με αποτέλεσμα υψηλότερη οπτική ανάλυση.Το φασματόμετρο οπτικών ινών SpectraCheck® SR75C χρησιμοποιεί μια οπτική διαδρομή τύπου M, επιτυγχάνει υψηλή οπτική ανάλυση έως 0,15 nm στην υπεριώδη περιοχή 180-340 nm.
Επάνω: Οπτική διαδρομή διασταυρούμενου τύπου/ οπτική διαδρομή διευρυμένου τύπου (τύπου M).
Επιπλέον, εκτός από επίπεδες σχάρες μπλέιζ, υπάρχει και μια κοίλη σχάρα μπλέιζ.Η κοίλη σχάρα blaze μπορεί να γίνει κατανοητή ως ένας συνδυασμός κοίλου καθρέφτη και πλέγματος.Επομένως, ένα φασματόμετρο κοίλου πλέγματος φλόγας αποτελείται μόνο από μια σχισμή, ένα κοίλο πλέγμα φλόγας και έναν ανιχνευτή, με αποτέλεσμα υψηλή σταθερότητα.Ωστόσο, το κοίλο πλέγμα φλόγας έθεσε την απαίτηση τόσο για την κατεύθυνση όσο και για την απόσταση του προσπίπτοντος φωτός, περιορίζοντας τις διαθέσιμες επιλογές.
Επάνω: Φασματόμετρο κοίλου πλέγματος.
Ώρα δημοσίευσης: Δεκ-26-2023