Schlüsselwörter: VPH-Festphasen-Hologrammgitter, Transmissionsspektrophotometer, Reflexionsspektrometer, Czerny-Turner-Lichtweg.
1. Übersicht
Das faseroptische Spektrometer kann je nach Typ des Beugungsgitters in Reflexion und Transmission eingeteilt werden.Ein Beugungsgitter ist im Grunde ein optisches Element, das entweder auf der Oberfläche oder im Inneren eine große Anzahl gleichmäßig verteilter Muster aufweist.Es handelt sich um ein faseroptisches Spektrometer mit kritischen Komponenten.Wenn das Licht mit diesen Gittern interagiert, wird es durch ein Phänomen, das als Lichtbeugung bekannt ist, in verschiedene Winkel gestreut, die durch unterschiedliche Wellenlängen bestimmt werden.
Oben: Diskriminierungs-Reflexionsspektrometer (links) und Transmissionsspektrometer (rechts)
Beugungsgitter werden im Allgemeinen in zwei Typen eingeteilt: Reflexions- und Transmissionsgitter.Reflexionsgitter können weiter in ebene Reflexionsgitter und konkave Gitter unterteilt werden, während Transmissionsgitter in rillenartige Transmissionsgitter und volumenphasenholographische (VPH) Transmissionsgitter unterteilt werden können.In diesem Artikel werden hauptsächlich das Reflexionsspektrometer vom Planblaze-Gittertyp und das Transmissionsspektrometer vom VPH-Gittertyp vorgestellt.
Oben: Reflexionsgitter (links) und Transmissionsgitter (rechts).
Warum wählen die meisten Spektrometer jetzt Gitterdispersion statt Prisma?Sie wird hauptsächlich durch die spektralen Prinzipien des Gitters bestimmt.Die Anzahl der Linien pro Millimeter auf dem Gitter (Liniendichte, Einheit: Linien/mm) bestimmt die spektralen Fähigkeiten des Gitters.Eine höhere Gitterliniendichte führt zu einer stärkeren Streuung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen nach dem Durchgang durch das Gitter, was zu einer höheren optischen Auflösung führt.Im Allgemeinen umfassen die verfügbaren Gitterrillendichten 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600 usw. und erfüllen damit die Anforderungen für verschiedene Spektralbereiche und Auflösungen.Während die Prismenspektroskopie durch die Dispersion von Glasmaterialien begrenzt ist, bestimmt die dispersive Eigenschaft des Glases die spektroskopische Leistungsfähigkeit des Prismas.Da die dispersiven Eigenschaften von Glasmaterialien begrenzt sind, ist es eine Herausforderung, die Anforderungen verschiedener spektraler Anwendungen flexibel zu erfüllen.Daher wird es in kommerziellen Miniatur-Faseroptikspektrometern selten verwendet.
Bildunterschrift: Spektrale Effekte unterschiedlicher Gitterrillendichten im obigen Diagramm.
Die Abbildung zeigt die Dispersionsspektrometrie von weißem Licht durch Glas und die Beugungsspektrometrie durch ein Gitter.
Die Entwicklungsgeschichte der Gitter beginnt mit dem Klassiker „Youngs Doppelspaltexperiment“: Im Jahr 1801 entdeckte der britische Physiker Thomas Young mit einem Doppelspaltexperiment die Interferenz von Licht.Monochromatisches Licht, das durch Doppelspalte fällt, zeigte abwechselnd helle und dunkle Streifen.Das Doppelspaltexperiment bestätigte erstmals, dass Licht ähnliche Eigenschaften wie Wasserwellen aufweist (die Wellennatur des Lichts), was in der Physikgemeinschaft für Aufsehen sorgte.Anschließend führten mehrere Physiker Mehrspalt-Interferenzexperimente durch und beobachteten das Beugungsphänomen von Licht durch Gitter.Später entwickelte der französische Physiker Fresnel die grundlegende Theorie der Gitterbeugung, indem er die mathematischen Techniken des deutschen Wissenschaftlers Huygens kombinierte und sich auf diese Ergebnisse stützte.
Die Abbildung zeigt links Youngs Doppelspaltinterferenz mit abwechselnd hellen und dunklen Streifen.Mehrspaltbeugung (rechts), Verteilung der Farbbänder in verschiedenen Ordnungen.
2.Reflexionsspektrometer
Die Reflexionsspektrometer verwenden typischerweise einen optischen Pfad, der aus einem ebenen Beugungsgitter und konkaven Spiegeln besteht und als Czerny-Turner-optischer Pfad bezeichnet wird.Es besteht im Allgemeinen aus einem Spalt, einem ebenen Blaze-Gitter, zwei Hohlspiegeln und einem Detektor.Diese Konfiguration zeichnet sich durch hohe Auflösung, geringes Streulicht und hohen optischen Durchsatz aus.Nachdem das Lichtsignal durch einen schmalen Schlitz eintritt, wird es zunächst durch einen konkaven Reflektor zu einem parallelen Strahl kollimiert, der dann auf ein planares Beugungsgitter trifft, wo die einzelnen Wellenlängen in unterschiedlichen Winkeln gebeugt werden.Schließlich fokussiert ein konkaver Reflektor das gebeugte Licht auf einen Fotodetektor und die Signale unterschiedlicher Wellenlänge werden von Pixeln an verschiedenen Positionen auf dem Fotodiodenchip aufgezeichnet, wodurch letztendlich ein Spektrum entsteht.Typischerweise enthält ein Reflexionsspektrometer auch einige Beugungsunterdrückungsfilter zweiter Ordnung und Säulenlinsen, um die Qualität der Ausgangsspektren zu verbessern.
Die Abbildung zeigt ein Kreuztyp-CT-Gitter-Spektrometer mit optischem Weg.
Es sollte erwähnt werden, dass Czerny und Turner nicht die Erfinder dieses optischen Systems sind, aber für ihre herausragenden Beiträge auf dem Gebiet der Optik geehrt werden – der österreichische Astronom Adalbert Czerny und der deutsche Wissenschaftler Rudolf W. Turner.
Der Czerny-Turner-Strahlengang kann im Allgemeinen in zwei Typen eingeteilt werden: gekreuzt und ungefaltet (M-Typ).Der gekreuzte optische Pfad/M-optische Pfad ist kompakter.Hier führt die links-rechts-symmetrische Verteilung zweier konkaver Spiegel relativ zum ebenen Gitter zu einer gegenseitigen Kompensation außeraxialer Aberrationen, was zu einer höheren optischen Auflösung führt.Das faseroptische Spektrometer SpectraCheck® SR75C verwendet einen optischen Pfad vom M-Typ und erreicht eine hohe optische Auflösung von bis zu 0,15 nm im ultravioletten Bereich von 180–340 nm.
Oben: Optischer Pfad vom Kreuztyp/optischer Pfad vom erweiterten Typ (M-Typ).
Darüber hinaus gibt es neben flachen Blaze-Rosten auch konkave Blaze-Roste.Das konkave Blaze-Gitter kann als Kombination aus einem konkaven Spiegel und einem Gitter verstanden werden.Daher besteht ein konkaves Blaze-Gitter-Spektrometer nur aus einem Spalt, einem konkaven Blaze-Gitter und einem Detektor, was zu einer hohen Stabilität führt.Das konkave Blaze-Gitter stellt jedoch Anforderungen an die Richtung und den Abstand des einfallenden gebeugten Lichts, was die verfügbaren Optionen einschränkt.
Oben: Konkaves Gitterspektrometer.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 26. Dezember 2023