Спектрометр

Определения:
Устройство для регистрации спектра.

Спектрометр - прибор, используемый для записи спектра источника света. То есть он измеряет спектральную плотность света (PSD) в уравнении, изменяющемся с длиной волны или частотой. Не все спектрометры могут дать калиброванные PSD; Обычно интенсивность не откалибрована, а калибровочный фактор (отзывчивость) связан с длиной волны.
Спектральные интерферометрические методы позволяют получить не только спектральную плотность мощности но и спектральную фазу.

Содержание

1. Спектроскоп с дифракционной решеткой и призмой
2. Интерферометрический спектрометр
3. Спектрометр записывает спектральные детали
4. спектрометр с предельным спектром

Спектроскоп с дифракционной решеткой и призмой
Многие спектрометры используют дифракционные эффекты, связанные с длиной волны, полученные одной или несколькими дифракционными решетками, или одна или несколько призм, которые преломляются с длиной волны. Падающий свет должен быть точным до того, как луч войдет в решетку или призму. После дисперсионного устройства компоненты на разных длинах волн распространяются в нескольких разных направлениях. Затем они проходят через некоторые другие оптические устройства и в конечном итоге попадают в фотодетекторы.

В сканирующем спектрометре детектор может быть фотодиодом или фотоумножителем, расположенным за узкой щелью, так что каждый раз только очень узкий диапазон длин волн достигает детектора. Можно изменить положение узкой щели или направление решетки или призмы, чтобы иметь возможность сканировать свет в определенном диапазоне длин волн, предполагая, что PSD падающего света остается неизменным в течение этого времени. В этом случае оптическое устройство функционирует как настраиваемый монохроматор. На рисунке 1 показан дизайн обычного монохроматора Czerny - Turner. Если спектр широк и сканируется с высоким разрешением, а детектор не достаточно быстр, то весь спектр будет собираться очень долго.

  
 

Рисунок 1: Дизайн монохроматора Czerny - Turner. Свет, входящий в узкие щели, выпрямляется через криволинейное зеркало, затем через дифракционную решетку образует отклонение с длиной волны, а затем фокусируется через другое криволинейное зеркало. В случае дифракционной решетки, направленной на определенное направление, свет с очень узкой длиной волны может проходить через щель. (Радиус на рисунке соответствует этому диапазону длин волн.) Вся установка помещена в коробку с дополнительной апертурой и черной крышкой для минимизации рассеяния.

При использовании спектрометра без сканирования время сбора спектра значительно сокращается, и в это время используется детектор пространственного разрешения, который может одновременно обнаруживать используемые компоненты длины волны. Например, детектор может быть чипом камеры CCD.
Некоторые растровые спектрометры очень малы и имеют ширину всего несколько сантиметров. Но для достижения хорошей производительности, то есть высокого разрешения и чувствительности, требуется более крупное устройство.

Интерферометрический спектрометр 
Интерферометрические спектрометры обычно имеют высокое спектральное разрешение, но спектральный диапазон очень узкий:

1. Некоторые устройства используют интерферометр Фабри - Перо, который использует пьезоэлектрический привод для сканирования расстояния между зеркалами и записи пропускаемой световой мощности. Доступный спектральный диапазон называется свободным спектральным диапазоном, определяемым расстоянием между зеркалами; Обычно от 0,1 ГГц до 10 ГГц, значение, выраженное в нм, невелико. Пропускная способность разрешения равна свободному спектральному диапазону, деленному на точность, которая определяется отражательной способностью зеркала. Разрешение выше, когда расстояние между зеркалами велико, но свободный спектральный диапазон сужается.
2. Некоторые спектрометры преобразования Фурье используют интерферометр Михельсона, в котором одна рука интерферометра выполняет механическое сканирование в очень длинном диапазоне (mm, cm или даже больше). Функция сигнала обнаружения получаемого в рамках всего диапазона сканирования изменяется со временем и требует преобразования Фурье для получения спектра. Другим простым методом является использование волномера, который измеряет только длину волны лазерного источника света, а не записывает весь спектр.
3. Решетчатые волноводные решетки могут использоваться в спектрометре малых размеров. Используются интерферометрические эффекты малых волноводных структур.

Спектрометр записывает спектральные детали
В зависимости от используемого спектрометра необходимо наблюдать несколько различных величин: - падающий свет должен входить в щель падения с переменной шириной. Для получения самого высокого спектрального разрешения узкие щели должны быть достаточно узкими, но это уменьшает мощность пропускания и, следовательно, увеличивает шум и время сбора, особенно когда яркость источника света относительно низкая. Некоторые спектрометры используют оптическое волокно для ввода света и могут использовать многомодовое или одномодовое волокно. Многомодовое оптическое волокно легко собирает свет, но одномодовое оптическое волокно обеспечивает лучшую производительность спектрометра. Дифракционные решетки обычно используют дифракцию первого уровня, но иногда для получения более высокого спектрального разрешения требуется расширенная дифракция. В любом случае, существует проблема воздействия других уровней дифракции. Если вы столкнетесь с спектральными свойствами, которые трудно объяснить, можно посмотреть, проистекают ли они из этой проблемы. - Реакция спектрометра связана с поляризацией, поскольку дифракционная эффективность решетки или потеря призматического отражения связаны с поляризацией. Потребителю нужна калибровка спектрометра. При калибровке длины волны могут использоваться разрядные лампы, излучающие спектр для определения длины волны. Калибровка отклика на всю длину волны затруднена. Можно использовать лампы накаливания с известной температурой проволоки или калиброванным спектром.

спектрометр с предельным спектром
Как правило, спектрометры работают в видимой, инфракрасной или, возможно, ультрафиолетовой области света. Существуют также спектрометры, которые могут работать в экстремальных спектральных областях, таких как ультрафиолетовая (EUV) или рентгеновская область, где длина волны составляет всего несколько нм. Такие спектрометры могут использовать дифракционные решетки с очень небольшим интервалом или даже отдельные кристаллы в рентгеновской области, используя периодическую структуру атомного размера. Фотодетекторы могут использовать рентгеновскую CCD - камеру или многоканальный детектор (MCP) (см. фотоумножитель).