מאמר 2: מהו ספקטרומטר סיבים אופטיים, וכיצד בוחרים את החריץ והסיב המתאימים?
ספקטרומטרים סיבים אופטיים מייצגים כיום את המעמד השולט של ספקטרומטרים.קטגוריה זו של ספקטרומטר מאפשרת העברת אותות אופטיים דרך כבל סיב אופטי, הנקרא לעתים קרובות מגשר סיבים אופטיים, מה שמאפשר גמישות ונוחות משופרים בניתוח ספקטרלי ותצורת מערכת.בניגוד לספקטרומטרים מעבדתיים גדולים המצוידים באורכי מוקד הנעים בדרך כלל בין 300 מ"מ ל-600 מ"מ ומשתמשים בסורגים סריקה, ספקטרומטרים סיבים אופטיים משתמשים בסורגים קבועים, ומבטלים את הצורך במנועים מסתובבים.אורכי המוקד של ספקטרומטרים אלה הם בדרך כלל בטווח של 200 מ"מ, או שהם יכולים להיות אפילו קצרים יותר, עד 30 מ"מ או 50 מ"מ.מכשירים אלה הינם קומפקטיים ביותר בגודלם והם מכונים בדרך כלל ספקטרומטרים סיבים אופטיים מיניאטוריים.
ספקטרומטר סיבים מיניאטורי
ספקטרומטר סיבים אופטיים מיניאטורי פופולרי יותר בתעשיות בשל הקומפקטיות שלו, חסכוניותו, יכולות הזיהוי המהיר והגמישות המדהימה שלו.ספקטרומטר הסיבים האופטיים המיניאטוריים כולל בדרך כלל חריץ, מראה קעורה, סורג, גלאי CCD/CMOS ומעגלי כונן משויכים.הוא מחובר לתוכנת המחשב המארח (PC) באמצעות כבל USB או כבל טורי כדי להשלים את איסוף הנתונים הספקטרלי.
מבנה ספקטרומטר סיבים אופטיים
ספקטרומטר הסיבים האופטיים מצויד במתאם ממשק סיבים, מספק חיבור מאובטח לסיבים אופטיים.ממשקי סיבים SMA-905 משמשים ברוב ספקטרומטרי הסיבים האופטיים, אך יישומים מסוימים דורשים ממשקי FC/PC או ממשקי סיבים לא סטנדרטיים, כגון ממשק סיבים גליליים מרובי ליבות בקוטר 10 מ"מ.
ממשק סיבים SMA905 (שחור), ממשק סיבים FC/PC (צהוב).יש חריץ בממשק FC/PC למיקום.
האות האופטי, לאחר שעבר דרך הסיב האופטי, יעבור תחילה דרך חריץ אופטי.הספקטרומטרים המיניאטוריים משתמשים בדרך כלל בחרכים שאינם ניתנים להתאמה, כאשר רוחב החריץ קבוע.בעוד שספקטרומטר סיבים אופטיים JINSP מציע רוחבי חריצים סטנדרטיים של 10 מיקרומטר, 25 מיקרומטר, 50 מיקרומטר, 100 מיקרומטר ו-200 מיקרומטר במפרטים שונים, והתאמות אישיות זמינות גם בהתאם לדרישות המשתמש.
השינוי ברוחב החריצים יכול להשפיע על שטף האור ועל הרזולוציה האופטית בדרך כלל, שני פרמטרים אלה מפגינים קשר סחר.צמצם את רוחב החריץ, גבוה יותר הרזולוציה האופטית, אם כי על חשבון שטף האור המופחת.חשוב לציין שלהרחבת החריץ להגברת שטף האור יש מגבלות או שהיא לא ליניארית.באופן דומה, להקטנת החריץ יש מגבלות על הרזולוציה הניתנת להשגה.על המשתמשים להעריך ולבחור את החריץ המתאים בהתאם לדרישותיהם בפועל, כגון מתן עדיפות לשטף אור או רזולוציה אופטית.בהקשר זה, התיעוד הטכני המסופק עבור ספקטרומטרים סיבים אופטיים JINSP כולל טבלה מקיפה המתאמת בין רוחבי החריצים לרמות הרזולוציה המתאימות להם, המשמשת עזר רב ערך עבור המשתמשים.
פער צר
טבלת השוואת רזולוציה של שסע
המשתמשים, בעת הקמת מערכת ספקטרומטר, צריכים לבחור סיבים אופטיים מתאימים לקליטת והעברת אותות למצב החריץ של הספקטרומטר.שלושה פרמטרים חשובים נדרשים לקחת בחשבון בעת בחירת סיבים אופטיים.הפרמטר הראשון הוא קוטר הליבה, אשר זמין במגוון של אפשרויות כולל 5μm, 50μm, 105μm, 200μm, 400μm, 600μm, וקטרים גדולים אף יותר מעבר ל-1mm.חשוב לציין שהגדלת קוטר הליבה יכולה לשפר את האנרגיה המתקבלת בקצה הקדמי של הסיב האופטי.עם זאת, רוחב החריץ וגובהו של גלאי CCD/CMOS מגבילים את האותות האופטיים שהספקטרומטר יכול לקלוט.לכן, הגדלת קוטר הליבה לא בהכרח משפרת את הרגישות.על המשתמשים לבחור את קוטר הליבה המתאים בהתבסס על תצורת המערכת בפועל.עבור הספקטרומטרים של B&W Tek המשתמשים בגלאי CMOS ליניאריים בדגמים כמו SR50C ו-SR75C, עם תצורת חריץ של 50 מיקרומטר, מומלץ להשתמש בסיב אופטי בקוטר ליבה בקוטר 200 מיקרומטר לקליטת אותות.עבור ספקטרומטרים עם גלאי CCD שטח פנימי בדגמים כמו SR100B ו-SR100Z, ייתכן שיהיה מתאים לשקול סיבים אופטיים עבים יותר, כגון 400 מיקרומטר או 600 מיקרומטר, עבור קליטת אותות.
קוטרי סיבים אופטיים שונים
אות סיב אופטי מחובר לחריץ
ההיבט השני הוא טווח אורכי הגל ההפעלה והחומרים של סיבים אופטיים.חומרי סיבים אופטיים כוללים בדרך כלל High-OH (הידרוקסיל גבוה), Low-OH (Hydroxyl נמוך) וסיבים עמידים ל-UV.לחומרים שונים יש מאפייני שידור באורך גל שונים.סיבים אופטיים גבוהים ב-OH משמשים בדרך כלל בטווח האור האולטרה-סגול/נראה (UV/VIS), בעוד שסיבי OH-נמוכים משמשים בתחום הקרוב לאינפרא אדום (NIR).עבור טווח האולטרה סגול, יש לשקול סיבים מיוחדים עמידים בפני UV.על המשתמשים לבחור את הסיב האופטי המתאים על סמך אורך הגל ההפעלה שלהם.
ההיבט השלישי הוא ערך הצמצם המספרי (NA) של סיבים אופטיים.בשל עקרונות הפליטה של סיבים אופטיים, האור הנפלט מקצה הסיב מוגבל בטווח זווית סטייה מסוימת, המאופיין בערך NA.לסיבים אופטיים רב-מודים יש בדרך כלל ערכי NA של 0.1, 0.22, 0.39 ו-0.5 כאפשרויות נפוצות.אם לוקחים את ה-0.22 NA הנפוץ ביותר כדוגמה, זה אומר שקוטר הנקודה של הסיב לאחר 50 מ"מ הוא בערך 22 מ"מ, ואחרי 100 מ"מ, הקוטר הוא 44 מ"מ.כאשר מתכננים ספקטרומטר, יצרנים שוקלים בדרך כלל להתאים את ערך ה-NA של הסיב האופטי באופן הדוק ככל האפשר כדי להבטיח קליטת אנרגיה מקסימלית.בנוסף, ערך ה-NA של הסיב האופטי קשור לצימוד של עדשות בקצה הקדמי של הסיב.יש להתאים את ערך ה-NA של העדשה ככל האפשר לערך ה-NA של הסיב כדי למנוע אובדן אות.
ערך ה-NA של הסיב האופטי קובע את זווית הדיברגנציה של האלומה האופטית
כאשר משתמשים בסיבים אופטיים בשילוב עם עדשות או מראות קעורות, יש להתאים את ערך ה-NA בצורה הדוקה ככל האפשר כדי למנוע אובדן אנרגיה
ספקטרומטרים של סיבים אופטיים קולטים את האור בזוויות שנקבעות על פי ערך ה-NA שלהם (צמצם מספרי).האות הנכנס ינוצל במלואו אם ה-NA של האור הנוצר קטן או שווה ל-NA של אותו ספקטרומטר.אובדן אנרגיה מתרחש כאשר ה-NA של אור בולט גדול מ-NA של ספקטרומטר.בנוסף להעברת סיבים אופטיים, ניתן להשתמש בצימוד אופטי בשטח פנוי כדי לאסוף אותות אור.זה כולל התכנסות של אור מקביל לתוך חריץ באמצעות עדשות.בעת שימוש בנתיבים אופטיים של חלל פנוי, חשוב לבחור עדשות מתאימות עם ערך NA התואם לזה של הספקטרומטר, תוך הקפדה גם על מיקום החריץ של הספקטרומטר במוקד העדשה כדי להשיג שטף אור מירבי.
צימוד אופטי חלל פנוי
זמן פרסום: 13 בדצמבר 2023