Ключевые слова: VPH Твердофазная голографическая решетка, Спектрофотометр пропускания, Спектрометр отражения, Оптический путь Черни-Тернера.
1.Обзор
Волоконно-оптические спектрометры можно разделить на отражательные и пропускающие в зависимости от типа дифракционной решетки.Дифракционная решетка — это, по сути, оптический элемент, имеющий большое количество равноотстоящих друг от друга узоров на поверхности или внутри.Это важнейший компонент оптоволоконного спектрометра.Когда свет взаимодействует с этими решетками, он рассеивается под разными углами, определяемыми разными длинами волн, за счет явления, известного как дифракция света.
Вверху: дискриминационный спектрометр отражения (слева) и спектрометр пропускания (справа).
Дифракционные решетки обычно делятся на два типа: отражательные и пропускающие.Отражающие решетки можно разделить на плоские отражательные решетки и вогнутые решетки, а пропускающие решетки можно подразделить на пропускающие решетки канавочного типа и пропускающие решетки объемно-фазовой голографической (VPH).В этой статье в основном представлены спектрометр отражения с плоской решеткой и спектрометр пропускания с решеткой VPH.
Вверху: отражательная решетка (слева) и пропускающая решетка (справа).
Почему большинство спектрометров теперь выбирают решеточную дисперсию вместо призмы?В первую очередь это определяется спектральными принципами решетки.Количество линий на миллиметр решетки (плотность линий, единица измерения: линий/мм) определяет спектральные возможности решетки.Более высокая плотность линий решетки приводит к большей дисперсии света разных длин волн после прохождения через решетку, что приводит к более высокому оптическому разрешению.Обычно доступные плотности канавок решетки включают 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600 и т. д., что соответствует требованиям для различных спектральных диапазонов и разрешений.В то время как призменная спектроскопия ограничена дисперсией стеклянных материалов, где дисперсионные свойства стекла определяют спектроскопические возможности призмы.Поскольку дисперсионные свойства стеклянных материалов ограничены, сложно гибко удовлетворить требования различных спектральных применений.Поэтому он редко используется в коммерческих миниатюрных оптоволоконных спектрометрах.
Подпись: Спектральные эффекты различной плотности канавок решетки на диаграмме выше.
На рисунке показана дисперсионная спектрометрия белого света через стекло и дифракционная спектрометрия через решетку.
История развития решеток начинается с классического «двущелевого эксперимента Янга»: в 1801 году британский физик Томас Янг открыл интерференцию света с помощью двухщелевого эксперимента.Монохроматический свет, проходящий через двойные щели, имел чередующиеся яркие и темные полосы.Эксперимент с двумя щелями впервые подтвердил, что свет обладает характеристиками, подобными волнам на воде (волновая природа света), что вызвало сенсацию в физическом сообществе.Впоследствии несколько физиков провели многощелевые интерференционные эксперименты и наблюдали явление дифракции света через решетки.Позже французский физик Френель разработал основную теорию дифракции на решетке, объединив математические методы, предложенные немецким ученым Гюйгенсом, и опираясь на эти результаты.
На рисунке слева показана двухщелевая интерференция Янга с чередующимися яркими и темными полосами.Многощелевая дифракция (справа), распределение цветных полос в разном порядке.
2. Отражательный спектрометр
Спектрометры отражения обычно используют оптический путь, состоящий из плоской дифракционной решетки и вогнутых зеркал, называемый оптическим путем Черни-Тернера.Обычно он состоит из щели, плоской решетки, двух вогнутых зеркал и детектора.Эта конфигурация характеризуется высоким разрешением, низким уровнем рассеянного света и высокой оптической пропускной способностью.После того, как световой сигнал проходит через узкую щель, он сначала коллимируется в параллельный луч вогнутым отражателем, который затем попадает на плоскую дифракционную решетку, где составляющие длины волн дифрагируют под разными углами.Наконец, вогнутый отражатель фокусирует дифрагированный свет на фотодетекторе, и сигналы разных длин волн записываются пикселями в разных положениях фотодиодного чипа, в конечном итоге генерируя спектр.Обычно спектрометр отражения также включает в себя некоторые дифракционно-подавляющие фильтры второго порядка и колонные линзы для улучшения качества выходных спектров.
На рисунке показан спектрометр с решеткой оптического пути КТ перекрестного типа.
Следует отметить, что Черни и Тернер не являются изобретателями этой оптической системы, но отмечены выдающимся вкладом в область оптики — австрийского астронома Адальберта Черни и немецкого ученого Рудольфа В. Тернера.
Оптический путь Черни-Тернера обычно можно разделить на два типа: перекрещенный и развернутый (М-тип).Перекрещенный оптический путь/оптический путь М-типа является более компактным.Здесь симметричное распределение двух вогнутых зеркал слева направо относительно плоской решетки демонстрирует взаимную компенсацию внеосевых аберраций, что приводит к более высокому оптическому разрешению.Волоконно-оптический спектрометр SpectraCheck® SR75C использует оптический путь М-типа и обеспечивает высокое оптическое разрешение до 0,15 нм в ультрафиолетовом диапазоне 180–340 нм.
Вверху: оптический путь перекрестного типа/оптический путь расширенного типа (М-тип).
Кроме того, кроме плоских противопламенных решеток, существует еще вогнутая противопламенная решетка.Вогнутую решетку можно понимать как комбинацию вогнутого зеркала и решетки.Таким образом, спектрометр с вогнутой блейз-решеткой состоит только из щели, вогнутой блейз-решетки и детектора, что обеспечивает высокую стабильность.Однако вогнутая светящаяся решетка предъявляет требования как к направлению, так и к расстоянию падающего дифрагированного света, ограничивая доступные варианты.
Вверху: Спектрометр с вогнутой решеткой.
Время публикации: 26 декабря 2023 г.