Artikel 2: Was ist ein faseroptisches Spektrometer und wie wählt man den geeigneten Spalt und die geeignete Faser aus?
Faseroptische Spektrometer stellen derzeit die vorherrschende Klasse von Spektrometern dar.Diese Kategorie von Spektrometern ermöglicht die Übertragung optischer Signale über ein Glasfaserkabel, oft auch Glasfaser-Jumper genannt, was eine größere Flexibilität und Bequemlichkeit bei der Spektralanalyse und Systemkonfiguration ermöglicht.Im Gegensatz zu herkömmlichen großen Laborspektrometern, die typischerweise mit Brennweiten zwischen 300 mm und 600 mm ausgestattet sind und Abtastgitter verwenden, verwenden faseroptische Spektrometer feste Gitter, sodass keine rotierenden Motoren erforderlich sind.Die Brennweiten dieser Spektrometer liegen typischerweise im Bereich von 200 mm, sie können aber auch noch kürzer sein, nämlich 30 mm oder 50 mm.Diese Instrumente sind äußerst kompakt und werden üblicherweise als Miniatur-Faseroptikspektrometer bezeichnet.
Miniaturfaserspektrometer
Ein faseroptisches Miniaturspektrometer erfreut sich in der Industrie aufgrund seiner Kompaktheit, Kosteneffizienz, schnellen Nachweisfähigkeit und bemerkenswerten Flexibilität größerer Beliebtheit.Das faseroptische Miniaturspektrometer besteht typischerweise aus einem Schlitz, einem konkaven Spiegel, einem Gitter, einem CCD/CMOS-Detektor und einer zugehörigen Ansteuerschaltung.Es wird entweder über ein USB-Kabel oder ein serielles Kabel mit der Software des Host-Computers (PC) verbunden, um die Spektraldatenerfassung abzuschließen.
Struktur eines faseroptischen Spektrometers
Das faseroptische Spektrometer ist mit einem Faserschnittstellenadapter ausgestattet, der eine sichere Verbindung für optische Fasern bietet.SMA-905-Faserschnittstellen werden in den meisten faseroptischen Spektrometern verwendet. Einige Anwendungen erfordern jedoch FC/PC- oder nicht standardmäßige Faserschnittstellen, wie beispielsweise die zylindrische Multicore-Faserschnittstelle mit 10 mm Durchmesser.
SMA905-Glasfaserschnittstelle (schwarz), FC/PC-Glasfaserschnittstelle (gelb).Für die Positionierung steht auf der FC/PC-Schnittstelle ein Steckplatz zur Verfügung.
Das optische Signal durchläuft nach dem Durchgang durch die optische Faser zunächst einen optischen Schlitz.Die Miniaturspektrometer verwenden typischerweise nicht einstellbare Schlitze, bei denen die Schlitzbreite fest ist.Das faseroptische Spektrometer von JINSP hingegen bietet Standardspaltbreiten von 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm und 200 μm in verschiedenen Spezifikationen, und es sind auch Anpassungen entsprechend den Benutzeranforderungen möglich.
Die Änderung der Spaltbreite kann sich häufig auf den Lichtfluss und die optische Auflösung auswirken. Diese beiden Parameter weisen einen Kompromiss auf.Je schmaler die Spaltbreite, desto höher die optische Auflösung, allerdings auf Kosten eines geringeren Lichtflusses.Es ist wichtig zu beachten, dass die Erweiterung des Schlitzes zur Erhöhung des Lichtflusses Einschränkungen unterliegt oder nichtlinear ist.Ebenso führt die Verkleinerung des Spalts zu Einschränkungen hinsichtlich der erreichbaren Auflösung.Der Anwender muss den geeigneten Spalt anhand seiner tatsächlichen Anforderungen beurteilen und auswählen, beispielsweise hinsichtlich der Priorität des Lichtstroms oder der optischen Auflösung.In diesem Zusammenhang enthält die technische Dokumentation für JINSP-Faseroptikspektrometer eine umfassende Tabelle, in der die Spaltbreiten mit den entsprechenden Auflösungsstufen in Beziehung gesetzt werden, was als wertvolle Referenz für Benutzer dient.
Eine schmale Lücke
Vergleichstabelle zur Spaltauflösung
Beim Einrichten eines Spektrometersystems müssen die Benutzer geeignete optische Fasern zum Empfangen und Übertragen von Signalen an die Spaltposition des Spektrometers auswählen.Bei der Auswahl optischer Fasern müssen drei wichtige Parameter berücksichtigt werden.Der erste Parameter ist der Kerndurchmesser, der in einer Reihe von Möglichkeiten verfügbar ist, darunter 5 μm, 50 μm, 105 μm, 200 μm, 400 μm, 600 μm und sogar größere Durchmesser über 1 mm.Es ist wichtig zu beachten, dass eine Vergrößerung des Kerndurchmessers die am vorderen Ende der Glasfaser empfangene Energie verbessern kann.Die Breite des Spalts und die Höhe des CCD/CMOS-Detektors begrenzen jedoch die optischen Signale, die das Spektrometer empfangen kann.Eine Vergrößerung des Kerndurchmessers führt also nicht unbedingt zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit.Benutzer sollten den geeigneten Kerndurchmesser basierend auf der tatsächlichen Systemkonfiguration auswählen.Für die Spektrometer von B&W Tek, die lineare CMOS-Detektoren in Modellen wie SR50C und SR75C mit einer 50-μm-Spaltkonfiguration verwenden, wird empfohlen, für den Signalempfang eine optische Faser mit 200 μm Kerndurchmesser zu verwenden.Bei Spektrometern mit internen CCD-Detektoren in Modellen wie SR100B und SR100Z kann es sinnvoll sein, für den Signalempfang dickere optische Fasern wie 400 μm oder 600 μm in Betracht zu ziehen.
Verschiedene Glasfaserdurchmesser
An den Schlitz gekoppeltes Glasfasersignal
Der zweite Aspekt betrifft den Betriebswellenlängenbereich und die Materialien optischer Fasern.Zu den optischen Fasermaterialien gehören typischerweise High-OH- (hoher Hydroxyl-), Low-OH- (niedriger Hydroxyl-) und UV-beständige Fasern.Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Wellenlängenübertragungseigenschaften.Optische Fasern mit hohem OH-Gehalt werden typischerweise im ultravioletten/sichtbaren Lichtbereich (UV/VIS) verwendet, während Fasern mit niedrigem OH-Gehalt im nahen Infrarotbereich (NIR) verwendet werden.Für den ultravioletten Bereich sollten spezielle UV-beständige Fasern in Betracht gezogen werden.Benutzer sollten die geeignete Glasfaser basierend auf ihrer Betriebswellenlänge auswählen.
Der dritte Aspekt ist der numerische Aperturwert (NA) optischer Fasern.Aufgrund der Emissionsprinzipien optischer Fasern ist das vom Faserende emittierte Licht auf einen bestimmten Divergenzwinkelbereich beschränkt, der durch den NA-Wert charakterisiert wird.Multimode-Lichtwellenleiter haben im Allgemeinen NA-Werte von 0,1, 0,22, 0,39 und 0,5 als übliche Optionen.Am Beispiel der gebräuchlichsten 0,22 NA bedeutet dies, dass der Punktdurchmesser der Faser nach 50 mm etwa 22 mm beträgt und nach 100 mm der Durchmesser 44 mm beträgt.Bei der Entwicklung eines Spektrometers achten Hersteller in der Regel darauf, den NA-Wert der Glasfaser so genau wie möglich anzupassen, um einen maximalen Energieempfang zu gewährleisten.Darüber hinaus hängt der NA-Wert der optischen Faser von der Kopplung der Linsen am vorderen Ende der Faser ab.Auch der NA-Wert der Linse sollte möglichst genau an den NA-Wert der Faser angepasst werden, um Signalverluste zu vermeiden.
Der NA-Wert der optischen Faser bestimmt den Divergenzwinkel des optischen Strahls
Bei der Verwendung von Lichtwellenleitern in Verbindung mit Linsen oder Hohlspiegeln sollte der NA-Wert möglichst genau angeglichen werden, um Energieverluste zu vermeiden
Faseroptische Spektrometer empfangen das Licht in Winkeln, die durch ihren NA-Wert (Numerische Apertur) bestimmt werden.Das einfallende Signal wird vollständig genutzt, wenn die NA des einfallenden Lichts kleiner oder gleich der NA des Spektrometers ist.Energieverlust tritt auf, wenn die NA des einfallenden Lichts größer ist als die NA des Spektrometers.Zusätzlich zur faseroptischen Übertragung kann die optische Freiraumkopplung zum Sammeln von Lichtsignalen genutzt werden.Dabei wird paralleles Licht mithilfe von Linsen in einen Spalt gebündelt.Bei der Verwendung optischer Freiraumpfade ist es wichtig, geeignete Linsen mit einem NA-Wert zu wählen, der mit dem des Spektrometers übereinstimmt. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass der Spalt des Spektrometers im Fokus der Linse positioniert ist, um einen maximalen Lichtfluss zu erzielen.
Optische Freiraumkopplung
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. Dezember 2023