Článek 2: Co je to optický spektrometr a jak si vyberete vhodnou štěrbinu a vlákno?
Vláknové optické spektrometry představují v současnosti převládající třídu spektrometrů.Tato kategorie spektrometrů umožňuje přenos optických signálů přes kabel z optických vláken, často nazývaný propojka z optických vláken, což usnadňuje zvýšenou flexibilitu a pohodlí při spektrální analýze a konfiguraci systému.Na rozdíl od konvenčních velkých laboratorních spektrometrů vybavených ohniskovou vzdáleností typicky v rozsahu od 300 mm do 600 mm a využívající rastrovací mřížky, spektrometry s optickými vlákny využívají pevné mřížky, což eliminuje potřebu rotujících motorů.Ohniskové vzdálenosti těchto spektrometrů jsou typicky v rozsahu 200 mm, nebo mohou být ještě kratší, do 30 mm nebo 50 mm.Tyto přístroje mají velmi kompaktní rozměry a běžně se označují jako miniaturní spektrometry s optickými vlákny.
Miniaturní vláknový spektrometr
Miniaturní spektrometr s optickými vlákny je v průmyslu populárnější díky své kompaktnosti, hospodárnosti, rychlým detekčním schopnostem a pozoruhodné flexibilitě.Miniaturní spektrometr s optickými vlákny typicky obsahuje štěrbinu, konkávní zrcadlo, mřížku, CCD/CMOS detektor a přidružené řídicí obvody.Je připojen k softwaru hostitelského počítače (PC) pomocí kabelu USB nebo sériového kabelu pro dokončení sběru spektrálních dat.
Konstrukce optického spektrometru
Optický spektrometr je vybaven adaptérem rozhraní pro optické vlákno, poskytuje bezpečné připojení pro optické vlákno.Vláknová rozhraní SMA-905 se používají ve většině optických spektrometrů, ale některé aplikace vyžadují rozhraní FC/PC nebo nestandardní rozhraní vláken, jako je válcové vícejádrové rozhraní vláken o průměru 10 mm.
Vláknové rozhraní SMA905 (černé), vláknové rozhraní FC/PC (žluté).Na rozhraní FC/PC je slot pro polohování.
Optický signál po průchodu optickým vláknem nejprve projde optickou štěrbinou.Miniaturní spektrometry typicky používají nenastavitelné štěrbiny, kde je šířka štěrbiny pevná.Optický spektrometr JINSP nabízí standardní šířky štěrbiny 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm a 200 μm v různých specifikacích a jsou k dispozici také úpravy podle požadavků uživatele.
Změna šířky štěrbiny může běžně ovlivnit světelný tok a optické rozlišení, tyto dva parametry vykazují kompromisní vztah.Menší šířka štěrbiny, vyšší optické rozlišení, i když na úkor sníženého světelného toku.Je důležité poznamenat, že rozšíření štěrbiny pro zvýšení světelného toku má omezení nebo je nelineární.Podobně omezení štěrbiny má omezení v dosažitelném rozlišení.Uživatelé musí posoudit a vybrat vhodnou štěrbinu v souladu se svými skutečnými požadavky, jako je upřednostnění světelného toku nebo optického rozlišení.V tomto ohledu technická dokumentace poskytovaná pro vláknové optické spektrometry JINSP obsahuje komplexní tabulku korelující šířky štěrbiny s odpovídajícími úrovněmi rozlišení, která slouží jako cenná reference pro uživatele.
Úzká mezera
Srovnávací tabulka rozlišení štěrbiny
Uživatelé při nastavování systému spektrometru musí zvolit vhodná optická vlákna pro příjem a přenos signálů do pozice štěrbiny spektrometru.Při výběru optických vláken je třeba vzít v úvahu tři důležité parametry.Prvním parametrem je průměr jádra, který je k dispozici v řadě možností včetně 5 μm, 50 μm, 105 μm, 200 μm, 400 μm, 600 μm a ještě větších průměrů nad 1 mm.Je důležité poznamenat, že zvětšení průměru jádra může zvýšit energii přijatou na předním konci optického vlákna.Šířka štěrbiny a výška CCD/CMOS detektoru však omezují optické signály, které může spektrometr přijímat.Zvětšení průměru jádra tedy nutně nezlepší citlivost.Uživatelé by si měli vybrat vhodný průměr jádra na základě skutečné konfigurace systému.Pro spektrometry B&W Tek používající lineární CMOS detektory v modelech jako SR50C a SR75C s konfigurací štěrbiny 50 μm se pro příjem signálu doporučuje použít optické vlákno o průměru jádra 200 μm.U spektrometrů s vnitřními plošnými CCD detektory v modelech jako SR100B a SR100Z může být vhodné zvážit pro příjem signálu silnější optická vlákna, např. 400 μm nebo 600 μm.
Různé průměry optických vláken
Signál z optických vláken připojený ke štěrbině
Druhým aspektem je rozsah provozních vlnových délek a materiály optických vláken.Materiály optických vláken typicky zahrnují High-OH (vysoký hydroxyl), Low-OH (nízký hydroxyl) a UV odolná vlákna.Různé materiály mají různé přenosové charakteristiky vlnové délky.Optická vlákna s vysokým obsahem OH se typicky používají v oblasti ultrafialového/viditelného světla (UV/VIS), zatímco vlákna s nízkým obsahem OH se používají v oblasti blízkého infračerveného záření (NIR).Pro oblast ultrafialového záření je třeba zvážit speciální vlákna odolná vůči UV záření.Uživatelé by si měli vybrat vhodné optické vlákno na základě své provozní vlnové délky.
Třetím aspektem je hodnota numerické apertury (NA) optických vláken.V důsledku emisních principů optických vláken je vyzařované světlo z konce vlákna omezeno v určitém rozsahu úhlu divergence, který je charakterizován hodnotou NA.Vícevidová optická vlákna mají obecně hodnoty NA 0,1, 0,22, 0,39 a 0,5 jako běžné možnosti.Vezmeme-li jako příklad nejběžnější 0,22 NA, znamená to, že bodový průměr vlákna po 50 mm je přibližně 22 mm a po 100 mm je průměr 44 mm.Při navrhování spektrometru výrobci obvykle zvažují co nejpřesnější přizpůsobení hodnoty NA optického vlákna, aby byl zajištěn maximální příjem energie.Navíc hodnota NA optického vlákna souvisí se spojením čoček na předním konci vlákna.Hodnota NA čočky by také měla být co nejblíže hodnotě NA vlákna, aby se zabránilo ztrátě signálu.
Hodnota NA optického vlákna určuje úhel divergence optického paprsku
Pokud se optická vlákna používají ve spojení s čočkami nebo konkávními zrcadly, měla by se hodnota NA co nejvíce přizpůsobit, aby se zabránilo ztrátě energie
Spektrometry s vláknovou optikou přijímají světlo pod úhlem určeným jejich hodnotou NA (Numerical Aperture).Dopadající signál bude plně využit, pokud NA dopadajícího světla je menší nebo rovna NA spektrometru.Ke ztrátě energie dochází, když je NA dopadajícího světla větší než NA spektrometru.Kromě přenosu optickými vlákny lze pro sběr světelných signálů použít optickou vazbu ve volném prostoru.To zahrnuje konvergování paralelního světla do štěrbiny pomocí čoček.Při použití optických drah ve volném prostoru je důležité vybrat vhodné čočky s hodnotou NA odpovídající hodnotě spektrometru a zároveň zajistit, aby štěrbina spektrometru byla umístěna v ohnisku čočky, aby bylo dosaženo maximálního světelného toku.
Optická spojka volného prostoru
Čas odeslání: 13. prosince 2023