Спектральные приборы. Выбор спектрального прибора
Спектральными называются оптические приборы, в которых осуществляется разложение электромагнитного излучения оптического диапазона на монохроматические составляющие. Такие приборы используются для качественного и количественного исследования спектрального состава света, излучаемого, поглощаемого, отражаемого или рассеиваемого веществом. Эти исследования позволяют судить о свойствах вещества, его химическом составе и характере физических процессов, связанных с излучением или взаимодействием света с веществом. Спектральные приборы применяются также для получения излучения заданного спектрального состава.
Предлагаемые «СОЛАР ТИИ» спектральные приборы являются «классическими» по способу осуществления спектрального разложения излучения. В этих приборах в качестве диспергирующего элемента используется дифракционная решётка, которая осуществляет пространственное разложение излучения в спектр (по длинам волн). «Классические» приборы можно разделить на две группы: монохроматоры и спектрографы.
Монохроматоры
Монохроматоры предназначены для выделения излучения в пределах заданного спектрального интервала. Оптическая система монохроматора включает в себя входную щель, коллиматорный объектив, дифракционную решётку, фокусирующий объектив и выходную щель, которая выделяет излучение, принадлежащее узкому интервалу длин волн. В монохроматорах всегда имеется возможность сканирования спектра путём поворота дифракционной решётки вручную либо с помощью специального механизма.
Спектрографы
Спектрографы предназначены для одновременной регистрации относительно широкой области спектра. В отличие от монохроматоров, в фокальной плоскости фокусирующего объектива вместо выходной щели устанавливается многоэлементный приёмник (фотодиодная линейка, ПЗС линейка, ПЗС матрица и др.), позволяющий регистрировать оптическое излучение в пределах определённого поля. Спектрографы используются преимущественно в ультрафиолетовой (УФ), видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра, что обусловлено имеющимися в настоящее время многоэлементными приёмниками излучения (190 – 2600 нм).
Основными характеристиками спектральных приборов, определяющими их свойства и возможности, являются:
- рабочий спектральный диапазон;
- светосила и относительное отверстие;
- дисперсия и разрешающая способность;
- уровень рассеянного света;
- компенсация астигматизма.
Рабочий спектральный диапазон прибора
Оптическое излучение занимает обширную область электромагнитного спектра. Мы предлагаем приборы, которые позволяют работать в спектральной области от 0,18 мкм до 60 мкм. Коротковолновой диапазон ограничен тем, что воздух становится непрозрачным для длин волн короче 180 нм. Измерения в более коротковолновой области требуют применения специальных вакуумных спектральных приборов.
Наиболее широкий спектральный диапазон имеют приборы с зеркальной оптикой. В этих приборах рабочий диапазон определяется параметрами дифракционной решётки и типом покрытий, наносимых на отражающие поверхности оптических элементов (зеркал, решёток). В зеркально-линзовых спектральных приборах рабочий спектральный диапазон определяется в основном материалом, из которого изготовлена линзовая оптика.
Мы предлагаем 4 типа покрытий: Al+MgF₂, Ag+SiO₂, Au и интерференционное. Интерференционное покрытие не является стандартным и изготавливается в случае необходимости согласно требований заказчика. Выбор типа покрытия является очень важным, так как определяет пропускание спектрального прибора.
Выбор дифракционной решётки
Выбор рабочего спектрального диапазона прибора также определяется параметрами дифракционных решёток. Мы предлагаем широкий выбор дифракционных решёток для УФ, видимого и ИК диапазонов. Правильный выбор дифракционной решётки позволяет получить наилучшее сочетание высокой энергетической эффективности и минимального рассеянного света для различных областей спектра.
Каждая дифракционная решётка имеет свой рабочий спектральный диапазон длин волн, который определяется одной из характеристик решётки — длиной волны в угле блеска (углом блеска). Эффективность решётки в угле блеска максимальна и уменьшается как для длинных, так и для коротких волн. Диапазон длин волн, для которых эффективность решётки составляет не менее 40 процентов относительно эффективности на длине волны в угле блеска, и есть рабочий диапазон длин волн данной решётки.
При выборе дифракционных решёток следует учитывать такой важный параметр, как «угол разворота решётки» в приборе. В монохроматорах/спектрографах угол разворота решётки определяется конструкцией прибора. Например, в монохроматор-спектрографе MS3501 угол разворота решётки составляет от 0° до 55°, что в пересчёте на длину волны соответствует 0–1290 нм для решётки 1200 штр/мм. Для решёток с различным числом штрихов этот параметр изменяется пропорционально соотношению числа штрихов: для 600 штр/мм и 300 штр/мм максимальная длина волны будет в 2 и 4 раза больше (2580 нм и 5160 нм), а для 1800 штр/мм и 2400 штр/мм — в 1,5 и 2 раза меньше (860 нм и 645 нм).
Светосила и относительное отверстие
Светосила спектрального прибора характеризует освещённость, создаваемую в фокальной плоскости фокусирующего объектива, или поток излучения, падающий на приёмник излучения. Энергия излучения, проходящего через спектральный прибор и попадающего на приёмник, определяется относительным отверстием коллиматорного и фокусирующего объективов.
Например, если фокусное расстояние коллиматорного зеркала составляет 380 мм, а его размеры — 70×70 мм, то относительное отверстие ε = 1/4,8, а фокальное число равно 4,8. Чем меньше фокальное число, тем большая часть излучения от источника, проходя через прибор, попадает на приёмник. Поэтому для слабых источников излучения необходимо выбирать прибор с меньшим фокальным числом (с бо́льшим относительным отверстием). Однако с уменьшением фокального числа ухудшается разрешающая способность прибора из-за увеличения аберраций (сферической и комы).
Дисперсия и разрешающая способность
Важными характеристиками спектрального прибора являются его угловая и линейная дисперсии. Угловая дисперсия есть характеристика диспергирующего устройства (дифракционной решётки) и определяет его способность отклонять излучение различных длин волн на разные углы. Угловая дисперсия тем больше, чем больше число штрихов/мм у решётки и чем больше угол дифракции, а также в случае работы в высоких порядках спектра.
Линейная дисперсия является характеристикой прибора в целом. Часто спектральные приборы характеризуются обратной линейной дисперсией dλ/dl, выражаемой в нм/мм. Важной характеристикой прибора является предел разрешения — наименьшая разность длин волн δλ двух монохроматических спектральных линий равной интенсивности, которые наблюдаются раздельно. Разрешающая способность вводится как отношение длины волны к пределу разрешения и пропорциональна линейной дисперсии прибора.
Для увеличения разрешающей способности применяют монохроматоры со сложением дисперсии (например, монохроматор/спектрограф MSDD1000) и эшелле-монохроматоры, работающие в высоких порядках спектра (например, эшелле монохроматор/спектрограф MSE750).
Уровень рассеянного света
Во всех монохроматорах на выходную щель всегда попадает, помимо разложенного в спектр излучения, ещё и некоторое количество паразитного (рассеянного) излучения других длин волн. Это объясняется многократным отражением света от оптических деталей, бликами на их оправах и внутренних стенках прибора, рассеянием света на поверхностях оптических деталей.
Рассеянный свет снижает точность спектрофотометрических измерений, особенно когда яркость источников или чувствительность приёмников в исследуемой области спектра невелика. Чтобы уменьшить уровень рассеянного света, мы черним оправы и внутренние стенки специальными покрытиями, устанавливаем внутри приборов перегородки и применяем дополнительные светофильтры.
Наиболее надёжным способом устранения рассеянного света является применение монохроматоров с двойной дисперсией (например, монохроматор/спектрограф MSDD1000) и двойных монохроматоров (например, двойной монохроматор с вычитанием дисперсии DM160). Наличие в двойном монохроматоре промежуточной щели позволяет на три порядка снизить уровень рассеянного света, что делает эти приборы незаменимыми в лазерной рамановской спектроскопии, где измеряемые сигналы на десять порядков меньше сигналов от лазера.
Компенсация астигматизма (Imaging)
Из большого количества аберраций, присущих оптическим системам, особо выделяется астигматизм, так как эта аберрация характерна для всех «классических» спектральных приборов. Зеркальные объективы, применяемые в спектральных приборах, не имеют оси симметрии и обладают, помимо обычных аберраций, ещё и аберрацией децентрировки (астигматизм). Вследствие этого точка на входной щели прибора изображается в фокальной плоскости в виде вертикальной линии.
В большинстве приборов «СОЛАР ТИИ» предусмотрена опция, в которой астигматизм скорректирован за счёт специальной оптики. Такие приборы принято называть монохроматорами или спектрографами изображения (imaging spectrograph). Если на входную щель такого спектрографа подать разнесённое по высоте щели излучение от нескольких точечных источников, то в фокальной плоскости сформируются разнесённые по высоте спектры. Это позволяет использовать приборы с компенсацией астигматизма в многоканальной спектроскопии (Multi-track Spectroscopy), когда полученные спектры одновременно регистрируются матричным фотоприёмником. Использование оптической схемы с компенсацией астигматизма также минимизирует потери света, если приёмник излучения имеет малые размеры, что характерно для ИК-приёмников.
Возможность установки детекторов
Для регистрации спектра, полученного с помощью спектрального прибора, могут использоваться различные системы регистрации — детекторы. В зависимости от типа детектор может устанавливаться либо непосредственно на выходной порт, либо на выходную щель спектрального прибора. Для интегральных детекторов с приёмной площадкой менее 5 мм необходимо использовать специальный узел сопряжения, который с помощью тороидального зеркала переносит изображение выходной щели на фоточувствительную поверхность приёмника. В этом случае всё выходное излучение монохроматора попадает на приёмную площадку без потерь. Мы предлагаем адаптеры для наших стандартных детекторов и адаптеры для установки детекторов других производителей.
Управление приборами
Большинство приборов производства «СОЛАР ТИИ» имеют высокую степень автоматизации, которая обеспечивается надёжной встроенной электроникой. Процессы поворота дифракционной решётки, переключения решёток (для моделей с турелью), установки ширины раскрытия спектральных щелей, смены выходного порта, а также управление работой дополнительных устройств (фильтровое колесо, быстрый затвор и др.) полностью автоматизированы. Вам необходимо лишь задать с помощью компьютера или пульта ручного управления соответствующие параметры работы прибора, и система автоматически произведёт все замены и настройки. Для управления спектральным прибором используется специальная программа DevCTRL, которая поставляется вместе с прибором бесплатно. | 
