מילות מפתח: VPH סורג הולוגרפי שלב מוצק, ספקטרופוטומטר טרנסמיטנטיות, ספקטרומטר רפלקציה, נתיב אופטי של צ'רני-טרנר.
1. סקירה כללית
ניתן לסווג את ספקטרומטר הסיבים האופטיים כהשתקפות ותמסורת, לפי סוג סורג הדיפרקציה.סורג עקיפה הוא בעצם אלמנט אופטי, המציג מספר גדול של תבניות ברווח שווה על פני השטח או פנימי.זהו ספקטרומטר סיב אופטי של רכיב קריטי.כאשר האור יוצר אינטראקציה עם הסורגים הללו, התפזר לזוויות ברורות הנקבעות על ידי אורכי גל שונים באמצעות תופעה המכונה עקיפה אור.
למעלה: ספקטרומטר השתקפות אפליה (משמאל) וספקטרומטר שידור (מימין)
רשתות עקיפה מסווגות בדרך כלל לשני סוגים: רשתות השתקפות ורשתות שידור.רשתות השתקפות ניתנות לחלוקה נוספת לרשתות השתקפות מישוריות ורשתות קעורות, בעוד שרשתות הולכה ניתנות לחלוקה לרשתות שידור מסוג חריץ וסורגי שידור הולוגרפיים מסוג נפח שלב (VPH).מאמר זה מציג בעיקר את ספקטרומטר ההשתקפות מסוג רשת בלהבות וספקטרומטר השידור מסוג VPH.
למעלה: סורג השתקפות (משמאל) וסורג הילוכים (מימין).
מדוע רוב הספקטרומטרים בוחרים כעת בפיזור סורגים במקום בפריזמה?זה נקבע בעיקר על ידי העקרונות הספקטרליים של הסורג.מספר הקווים למילימטר על הסורג (צפיפות הקו, יחידה: קווים/מ"מ) קובע את היכולות הספקטרליות של הסורג.צפיפות קו סורג גבוהה יותר גורמת לפיזור גדול יותר של אור באורכי גל שונים לאחר מעבר דרך הסורג, מה שמוביל לרזולוציה אופטית גבוהה יותר.באופן כללי, צפיפויות חריצים זמינות וגרורות כוללות 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600 וכו', העומדות בדרישות לטווחים ורזולוציות ספקטרליות שונות.בעוד, ספקטרוסקופיה מנסרה מוגבלת על ידי פיזור חומרי זכוכית, כאשר תכונת הפיזור של הזכוכית קובעת את היכולת הספקטרוסקופית של המנסרה.מכיוון שתכונות הפיזור של חומרי זכוכית מוגבלות, זה מאתגר לעמוד בגמישות בדרישות של יישומים ספקטרליים שונים.לכן, הוא משמש רק לעתים רחוקות בספקטרומטרים סיבים אופטיים מיניאטוריים מסחריים.
כיתוב: השפעות ספקטרליות של צפיפויות חריצים שונות בתרשים לעיל.
האיור מציג ספקטרומטריית פיזור של אור לבן דרך זכוכית וספקטרומטריית עקיפה דרך סורג.
היסטוריית הפיתוח של הסורגים מתחילה ב"ניסוי הכפול של יאנג" הקלאסי: בשנת 1801 גילה הפיזיקאי הבריטי תומס יאנג את הפרעות האור באמצעות ניסוי חריץ כפול.אור מונוכרומטי שעבר דרך חריצים כפולים הציג שוליים בהירים וכהים לסירוגין.הניסוי עם החריצים הכפולים אימת לראשונה שאור מפגין מאפיינים הדומים לגלי מים (טבע הגל של האור), מה שגורם לתחושה בקהילת הפיזיקה.לאחר מכן, כמה פיזיקאים ערכו ניסויי הפרעה מרובי חריצים וצפו בתופעת העקיפה של אור דרך רשתות.מאוחר יותר, הפיזיקאי הצרפתי Fresnel פיתח את התיאוריה הבסיסית של עקיפה רשת על ידי שילוב של טכניקות מתמטיות שהציג המדען הגרמני הויגנס, בהסתמך על תוצאות אלה.
האיור מציג את ההפרעה הכפולה של יאנג משמאל, עם שוליים בהירים וכהים לסירוגין.עקיפה מרובה שסעים (מימין), חלוקה של פסים צבעוניים בסדרים שונים.
2. ספקטרומטר רפלקטיבי
ספקטרומטרי ההשתקפות משתמשים בדרך כלל בנתיב אופטי המורכב מרשת עקיפה מישורית ומראות קעורות, המכונה הנתיב האופטי של צ'רני-טרנר.זה בדרך כלל מורכב מחרך, סורג להבה מטוס, שתי מראות קעורות וגלאי.תצורה זו מאופיינת ברזולוציה גבוהה, אור תועה נמוך ותפוקה אופטית גבוהה.לאחר כניסת אות האור דרך חריץ צר, הוא מתכנס תחילה לאורה מקבילה על ידי רפלקטור קעור, אשר פוגע בסריג עקיף מישורי שבו אורכי הגל המרכיבים מבוטלים בזוויות ברורות.לבסוף, רפלקטור קעור ממקד את האור המפוזר אל גלאי צילום והאותות של אורכי גל שונים מתועדים על ידי פיקסלים במיקומים שונים בשבב הפוטודיודה, ובסופו של דבר יוצרים ספקטרום.בדרך כלל, ספקטרומטר השתקפות כולל גם כמה מסננים מדכאי עקיפה ועדשות עמודות מסדר שני כדי לשפר את איכות ספקטרום הפלט.
האיור מציג ספקטרומטר סורג של נתיב אופטי מסוג CT צולב.
יש להזכיר שצ'רני וטרנר אינם ממציאים של מערכת אופטית זו אלא מונצחים על תרומתם הבולטת לתחום האופטיקה - האסטרונום האוסטרי אדלברט צ'רני והמדען הגרמני רודולף וו. טרנר.
בדרך כלל ניתן לסווג את הנתיב האופטי של צ'רני-טרנר לשני סוגים: מוצלבים ופרוסים (סוג M).הנתיב האופטי המוצלב/הנתיב האופטי מסוג M הוא קומפקטי יותר.כאן, החלוקה הסימטרית שמאלה-ימנית של שתי מראות קעורות ביחס לסורג המטוס, מציגה פיצוי הדדי של סטיות מחוץ לציר, וכתוצאה מכך רזולוציה אופטית גבוהה יותר.ספקטרומטר סיבים אופטיים SpectraCheck® SR75C משתמש בנתיב אופטי מסוג M, משיג רזולוציה אופטית גבוהה עד 0.15 ננומטר בטווח האולטרה סגול של 180-340 ננומטר.
למעלה: נתיב אופטי צולב/מסלול אופטי מסוג M.
בנוסף, מלבד רשתות הלהבה השטוחות, ישנה גם רשת הלהבה הקעורה.ניתן להבין את סורג הלהבה הקעור כשילוב של מראה קעורה וסורג.לכן, ספקטרומטר של רשת בלהבות קעור מורכב רק מחרך, רשת צריבה קעור וגלאי, וכתוצאה מכך יציבות גבוהה.עם זאת, רשת הלהבה הקעור קבעה את הדרישה הן לכיוון והן למרחק של אור מפוזר, מה שמגביל את האפשרויות הזמינות.
למעלה: ספקטרומטר סורג קעור.
זמן פרסום: 26 בדצמבר 2023