Статья 2. Что такое оптоволоконный спектрометр и как выбрать подходящую щель и волокно?
Волоконно-оптические спектрометры в настоящее время представляют собой преобладающий класс спектрометров.Спектрометры этой категории позволяют передавать оптические сигналы через оптоволоконный кабель, часто называемый оптоволоконной перемычкой, что обеспечивает повышенную гибкость и удобство спектрального анализа и конфигурации системы.В отличие от обычных больших лабораторных спектрометров, оснащенных фокусными расстояниями обычно от 300 до 600 мм и использующих сканирующие решетки, в оптоволоконных спектрометрах используются фиксированные решетки, что устраняет необходимость во вращающихся двигателях.Фокусные расстояния этих спектрометров обычно находятся в диапазоне 200 мм или могут быть даже короче, до 30 мм или 50 мм.Эти приборы очень компактны по размеру и обычно называются миниатюрными оптоволоконными спектрометрами.
Миниатюрный волоконный спектрометр
Миниатюрный оптоволоконный спектрометр более популярен в промышленности благодаря своей компактности, экономичности, возможностям быстрого обнаружения и замечательной гибкости.Миниатюрный оптоволоконный спектрометр обычно содержит щель, вогнутое зеркало, решетку, ПЗС/КМОП-детектор и соответствующую схему управления.Он подключается к программному обеспечению главного компьютера (ПК) через USB-кабель или последовательный кабель для завершения сбора спектральных данных.
Структура оптоволоконного спектрометра
Волоконно-оптический спектрометр оснащен адаптером оптоволоконного интерфейса, обеспечивающим безопасное соединение оптоволокна.Оптоволоконные интерфейсы SMA-905 используются в большинстве оптоволоконных спектрометров, однако для некоторых приложений требуются FC/PC или нестандартные оптоволоконные интерфейсы, такие как цилиндрический многожильный оптоволоконный интерфейс диаметром 10 мм.
Оптоволоконный интерфейс SMA905 (черный), оптоволоконный интерфейс FC/PC (желтый).На интерфейсе FC/ПК имеется слот для позиционирования.
Оптический сигнал, пройдя через оптическое волокно, сначала проходит через оптическую щель.В миниатюрных спектрометрах обычно используются нерегулируемые щели с фиксированной шириной.Принимая во внимание, что оптоволоконный спектрометр JINSP предлагает стандартную ширину щели 10 мкм, 25 мкм, 50 мкм, 100 мкм и 200 мкм в различных спецификациях, а также доступны настройки в соответствии с требованиями пользователя.
Изменение ширины щели обычно может влиять на световой поток и оптическое разрешение, эти два параметра демонстрируют компромиссную взаимосвязь.Чем уже ширина щели, тем выше оптическое разрешение, хотя и за счет уменьшения светового потока.Важно отметить, что расширение щели для увеличения светового потока имеет ограничения или является нелинейным.Аналогично, уменьшение щели имеет ограничения на достижимое разрешение.Пользователи должны оценить и выбрать подходящую щель в соответствии со своими фактическими требованиями, например, отдавая приоритет световому потоку или оптическому разрешению.В связи с этим техническая документация, предоставляемая для оптоволоконных спектрометров JINSP, включает подробную таблицу, соотносящую ширину щелей с соответствующими уровнями разрешения, что служит ценным справочным материалом для пользователей.
Узкий разрыв
Сравнительная таблица разрешения щелей
Пользователям при настройке системы спектрометра необходимо выбрать соответствующие оптические волокна для приема и передачи сигналов в положение щели спектрометра.При выборе оптических волокон необходимо учитывать три важных параметра.Первый параметр — это диаметр сердцевины, который доступен в различных вариантах, включая 5 мкм, 50 мкм, 105 мкм, 200 мкм, 400 мкм, 600 мкм и даже большие диаметры, превышающие 1 мм.Важно отметить, что увеличение диаметра сердцевины может улучшить энергию, получаемую на переднем конце оптического волокна.Однако ширина щели и высота ПЗС/КМОП-детектора ограничивают оптические сигналы, которые может принимать спектрометр.Таким образом, увеличение диаметра сердечника не обязательно улучшает чувствительность.Пользователи должны выбрать подходящий диаметр сердечника в зависимости от фактической конфигурации системы.Для спектрометров B&W Tek, использующих линейные КМОП-детекторы в таких моделях, как SR50C и SR75C, с конфигурацией щели 50 мкм, для приема сигнала рекомендуется использовать оптическое волокно с диаметром сердцевины 200 мкм.Для спектрометров с ПЗС-детекторами внутренней области в таких моделях, как SR100B и SR100Z, для приема сигнала может оказаться целесообразным использовать более толстые оптические волокна, например 400 мкм или 600 мкм.
Различные диаметры оптического волокна
Оптоволоконный сигнал, подключенный к щели
Второй аспект — рабочий диапазон длин волн и материалы оптических волокон.Материалы оптического волокна обычно включают волокна High-OH (высокое содержание гидроксила), Low-OH (низкое содержание гидроксила) и устойчивые к УФ-излучению волокна.Различные материалы имеют разные характеристики передачи длины волны.Оптические волокна с высоким OH обычно используются в диапазоне ультрафиолетового/видимого света (UV/VIS), а волокна с низким OH – в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне.Для ультрафиолетового диапазона следует рассмотреть специальные волокна, устойчивые к УФ-излучению.Пользователям следует выбирать подходящее оптическое волокно в зависимости от рабочей длины волны.
Третий аспект — это значение числовой апертуры (NA) оптических волокон.Из-за принципов излучения оптических волокон свет, излучаемый на конце волокна, ограничен определенным диапазоном углов расходимости, который характеризуется значением NA.Многомодовые оптические волокна обычно имеют значения NA 0,1, 0,22, 0,39 и 0,5 в качестве распространенных вариантов.Если взять в качестве примера наиболее распространенную NA 0,22, то это означает, что диаметр пятна волокна после 50 мм составляет примерно 22 мм, а через 100 мм диаметр составляет 44 мм.При проектировании спектрометра производители обычно учитывают максимально точное соответствие значения числовой апертуры оптического волокна, чтобы обеспечить максимальный прием энергии.Кроме того, значение числовой апертуры оптического волокна связано с соединением линз на переднем конце волокна.Значение числовой апертуры линзы также должно быть как можно ближе согласовано со значением числовой апертуры волокна, чтобы избежать потери сигнала.
Значение NA оптического волокна определяет угол расхождения оптического луча.
Когда оптические волокна используются в сочетании с линзами или вогнутыми зеркалами, значение NA должно быть подобрано как можно точнее, чтобы избежать потерь энергии.
Волоконно-оптические спектрометры принимают свет под углами, определяемыми их значением NA (числовой апертуры).Падающий сигнал будет полностью использован, если числовая апертура падающего света меньше или равна числовой апертуре этого спектрометра.Потери энергии происходят, когда числовая апертура падающего света больше, чем числовая апертура спектрометра.Помимо оптоволоконной передачи, для сбора световых сигналов можно использовать оптическое соединение в свободном пространстве.Это предполагает сведение параллельного света в щель с помощью линз.При использовании оптических путей в свободном пространстве важно выбирать подходящие линзы со значением числовой апертуры, соответствующим значению числовой апертуры спектрометра, а также следить за тем, чтобы щель спектрометра располагалась в фокусе линзы для достижения максимального светового потока.
Оптическая связь в свободном пространстве
Время публикации: 13 декабря 2023 г.