Klíčová slova: VPH Pevná fázová holografická mřížka, Transmitační spektrofotometr, Reflektační spektrometr, Czerny-Turnerova optická dráha.
1.Přehled
Spektrometr z optických vláken lze klasifikovat jako odrazový a propustný, podle typu difrakční mřížky.Difrakční mřížka je v podstatě optický prvek s velkým počtem rovnoměrně rozmístěných vzorů buď na povrchu, nebo uvnitř.Jedná se o kritický komponentní optický spektrometr.Když světlo interaguje s touto mřížkou, rozptyluje se do odlišných úhlů určených různými vlnovými délkami prostřednictvím jevu známého jako difrakce světla.
Nahoře: Diskriminační odrazový spektrometr (vlevo) a spektrometr propustnosti (vpravo)
Difrakční mřížky se obecně dělí na dva typy: odrazové a prostupové mřížky.Odrazné mřížky lze dále rozdělit na rovinné odrazové mřížky a konkávní mřížky, zatímco propustné mřížky lze dále rozdělit na propustné mřížky drážkového typu a prostupové mřížky objemové fáze holografické (VPH).Tento článek představuje především odrazový spektrometr mřížkového typu s rovinným plamenem a mřížkový spektrometr propustnosti VPH.
Nahoře: Odrazová mřížka (vlevo) a Přenosová mřížka (vpravo).
Proč nyní většina spektrometrů volí mřížkovou disperzi místo hranolu?Primárně je určeno spektrálními principy mřížky.Počet čar na milimetr na mřížce (hustota čar, jednotka: čáry/mm) určuje spektrální schopnosti mřížky.Vyšší hustota čar mřížky má za následek větší rozptyl světla různých vlnových délek po průchodu mřížkou, což vede k vyššímu optickému rozlišení.Obecně dostupné hustoty a hustoty drážek mřížky zahrnují 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600 atd., které splňují požadavky pro různé spektrální rozsahy a rozlišení.Zatímco hranolová spektroskopie je omezena disperzí skleněných materiálů, kde disperzní vlastnost skla určuje spektroskopickou schopnost hranolu.Protože disperzní vlastnosti skleněných materiálů jsou omezené, je náročné flexibilně plnit požadavky různých spektrálních aplikací.Proto se zřídka používá v komerčních miniaturních spektrometrech s optickými vlákny.
Titulek: Spektrální efekty různých hustot drážek mřížky ve výše uvedeném diagramu.
Obrázek ukazuje disperzní spektrometrii bílého světla přes sklo a difrakční spektrometrii přes mřížku.
Historie vývoje mřížek začíná klasickým „Youngovým experimentem s dvojitou štěrbinou“: V roce 1801 objevil britský fyzik Thomas Young interferenci světla pomocí experimentu s dvojitou štěrbinou.Monochromatické světlo procházející dvojitými štěrbinami vykazovalo střídavé světlé a tmavé proužky.Experiment s dvojitou štěrbinou nejprve potvrdil, že světlo vykazuje vlastnosti podobné vodním vlnám (vlnová povaha světla), což ve fyzikální komunitě vyvolalo senzaci.Následně několik fyziků provedlo interferenční experimenty s více štěrbinami a pozorovalo jev difrakce světla skrz mřížky.Později francouzský fyzik Fresnel vyvinul základní teorii mřížkové difrakce kombinací matematických technik předložených německým vědcem Huygensem a čerpal z těchto výsledků.
Obrázek ukazuje Youngovu interferenci s dvojitou štěrbinou vlevo se střídajícími se světlými a tmavými proužky.Víceštěrbinová difrakce (vpravo), rozložení barevných pásů v různých řádech.
2.Reflexní spektrometr
Reflexní spektrometry typicky využívají optickou dráhu složenou z rovinné difrakční mřížky a konkávních zrcadel, označovanou jako Czerny-Turnerova optická dráha.Obvykle se skládá ze štěrbiny, rovinné mřížky, dvou konkávních zrcadel a detektoru.Tato konfigurace se vyznačuje vysokým rozlišením, nízkým rozptylem světla a vysokou optickou propustností.Poté, co světelný signál vstoupí úzkou štěrbinou, je nejprve kolimován do paralelního paprsku konkávním reflektorem, který pak dopadá na rovinnou difrakční mřížku, kde jsou jednotlivé vlnové délky ohnuty pod zřetelnými úhly.Nakonec konkávní reflektor zaostří difraktované světlo na fotodetektor a signály různých vlnových délek jsou zaznamenávány pixely na různých pozicích na fotodiodovém čipu, čímž se nakonec generuje spektrum.Typicky reflexní spektrometr také obsahuje některé difrakční filtry druhého řádu a sloupcové čočky pro zlepšení kvality výstupních spekter.
Obrázek ukazuje křížový CT spektrometr s optickou dráhou mřížky.
Je třeba zmínit, že Czerny a Turner nejsou vynálezci tohoto optického systému, ale jsou připomínáni pro jejich mimořádný přínos v oblasti optiky – rakouský astronom Adalbert Czerny a německý vědec Rudolf W. Turner.
Czerny-Turnerova optická dráha může být obecně klasifikována do dvou typů: zkřížená a nesložená (typ M).Zkřížená optická dráha/optická dráha typu M je kompaktnější.Zde levo-pravé symetrické rozložení dvou konkávních zrcadel vzhledem k rovinné mřížce vykazuje vzájemnou kompenzaci mimoosových aberací, což má za následek vyšší optické rozlišení.Optický spektrometr SpectraCheck® SR75C využívá optickou dráhu typu M a dosahuje vysokého optického rozlišení až 0,15 nm v ultrafialovém rozsahu 180-340 nm.
Nahoře: Optická cesta křížového typu/rozšířená optická cesta (typ M).
Kromě toho existuje kromě plochých plamenných mříží také konkávní mřížka.Konkávní planžetovou mřížku lze chápat jako kombinaci konkávního zrcadla a mřížky.Spektrometr s konkávní mřížkou se skládá pouze ze štěrbiny, konkávní mřížky a detektoru, což má za následek vysokou stabilitu.Konkávní mřížka však stanovila požadavek na směr i vzdálenost dopadajícího ohýbaného světla, což omezovalo dostupné možnosti.
Nahoře: Spektrometr s konkávní mřížkou.
Čas odeslání: 26. prosince 2023