Монохроматор - Monochromator

Это концептуальная анимация рассеивания света или его пробоя.
Монохроматор в канале рентгеновского излучения в усовершенствованном источнике фотонов , Аргоннская национальная лаборатория .

Монохроматор представляет собой оптическое устройство , которое передает механически селектируемую узкую полосу длин волн от света или другого излучения , выбранных из более широкого диапазона длин волн , доступных на входе. Название происходит от греческих корней mono- , «single» и chroma , «цвет», и латинского суффикса -ator , обозначающего агент.

Использует

Нейтронный монохроматор для порошкового дифрактометра ECHIDNA в OPAL в Австралии. Он состоит из пластин [113] ориентированных кристаллов германия, которые наклонены друг к другу, чтобы сфокусировать отраженный луч Брэгга.

Устройство, которое может производить монохроматический свет, находит множество применений в науке и оптике, поскольку многие оптические характеристики материала зависят от длины волны. Хотя существует ряд полезных способов выбора узкого диапазона длин волн (который в видимом диапазоне воспринимается как чистый цвет), не так много других способов легко выбрать любой диапазон длин волн из широкого диапазона. См. Ниже обсуждение некоторых применений монохроматоров.

В жесткой рентгеновской и нейтронной оптике кристаллические монохроматоры используются для определения волновых условий на приборах.

Методы

Монохроматор может использовать либо явление оптической дисперсии в призме , либо явление дифракции с использованием дифракционной решетки для пространственного разделения цветов света. Обычно он имеет механизм для направления выбранного цвета на выходную щель. Обычно решетка или призма используются в отражающем режиме. Отражательная призма состоит из прямоугольной треугольной призмы (как правило, половины равносторонней призмы) с одной зеркальной стороной. Свет проходит через грань гипотенузы и отражается обратно через нее, дважды преломляясь на одной и той же поверхности. Общее преломление и общая дисперсия такие же, как если бы равносторонняя призма использовалась в режиме пропускания.

Коллимация

Дисперсией или дифракцией можно управлять только в том случае, если свет коллимирован , то есть если все лучи света параллельны, или практически так. Источник, такой как солнце, которое находится очень далеко, дает коллимированный свет. Ньютон использовал солнечный свет в своих знаменитых экспериментах . Однако в практическом монохроматоре источник света находится поблизости, и оптическая система в монохроматоре преобразует расходящийся свет источника в коллимированный свет. Хотя в некоторых конструкциях монохроматоров используются фокусирующие решетки, для которых не нужны отдельные коллиматоры, в большинстве используются коллимирующие зеркала. Отражательная оптика предпочтительна, потому что она не создает собственных дисперсионных эффектов.

Монохроматор Черни – Тернера

Схема монохроматора Черни – Тернера.
Комбинированная отражательно-фокусирующая дифракционная решетка
Монохроматор Фасти – Эберта. Это похоже на Черни-Тернера, но использует обычный коллиматор / зеркало перефокусировки.

В обычной схеме Черни – Тернера широкополосный источник освещения ( A ) направлен на входную щель ( B ). Количество доступной для использования световой энергии зависит от интенсивности источника в пространстве, определяемом щелью (ширина × высота), и угла приема оптической системы. Щель помещается в эффективный фокус изогнутого зеркала ( коллиматор , C ), так что свет от щели, отраженный от зеркала, коллимируется (фокусируется на бесконечности). Коллимированный свет дифрагирует на решетке ( D ), а затем собирается другим зеркалом ( E ), которое перефокусирует свет, теперь рассеянный, на выходной щели ( F ). В призменном монохроматоре отражающая призма Литтроу заменяет дифракционную решетку, и в этом случае свет преломляется призмой.

На выходной щели цвета света распространяются (на видимом изображении показаны цвета радуги). Поскольку каждый цвет попадает в отдельную точку в плоскости выходной щели, имеется серия изображений входной щели, сфокусированных на плоскости. Поскольку входная щель имеет конечную ширину, части близлежащих изображений перекрываются. Свет, выходящий из выходной щели ( G ), содержит все изображение входной щели выбранного цвета плюс части изображений входной щели близлежащих цветов. Вращение диспергирующего элемента заставляет цветную полосу перемещаться относительно выходной щели, так что желаемое изображение входной щели центрируется на выходной щели. Диапазон цветов на выходе из выходной щели зависит от ее ширины. Ширина входной и выходной щели регулируется вместе.

Рассеянный свет

Идеальная передаточная функция такого монохроматора - треугольная форма. Пик треугольника соответствует номинальной выбранной длине волны. Затем интенсивность соседних цветов линейно уменьшается по обе стороны от этого пика до тех пор, пока не будет достигнуто некоторое значение отсечки, когда интенсивность перестанет уменьшаться. Это называется уровнем рассеянного света . Уровень отсечки обычно составляет примерно одну тысячную от пикового значения, или 0,1%.

Спектральная полоса пропускания

Спектральная полоса пропускания определяется как ширина треугольника в точках, где свет достиг половины максимального значения ( полная ширина на половине максимума , сокращенно FWHM). Типичная спектральная ширина полосы может составлять один нанометр; тем не менее, можно выбрать другие значения, чтобы удовлетворить потребность в анализе. Более узкая полоса пропускания улучшает разрешение, но также снижает отношение сигнал / шум.

Дисперсия

Дисперсия монохроматора характеризуется как ширина полосы цветов на единицу ширины щели, например, 1 нм спектра на мм ширины щели. Этот коэффициент постоянен для решетки, но меняется в зависимости от длины волны призмы. Если сканирующий призменный монохроматор используется в режиме постоянной полосы пропускания, ширина щели должна изменяться при изменении длины волны. Дисперсия зависит от фокусного расстояния, порядка решетки и разрешающей способности решетки.

Диапазон длин волн

Диапазон регулировки монохроматора может охватывать видимый спектр и некоторую часть обоих или любого из ближайших ультрафиолетовых (УФ) и инфракрасных (ИК) спектров, хотя монохроматоры предназначены для большого разнообразия оптических диапазонов и для очень многих конструкций.

Двойные монохроматоры

Обычно два монохроматора соединяются последовательно, а их механические системы работают в тандеме, так что оба выбирают один и тот же цвет. Такое расположение не предназначено для улучшения узости спектра, а скорее для понижения уровня отсечки. Двойной монохроматор может иметь отсечку примерно в одну миллионную от пикового значения, являющегося произведением двух отсечений отдельных секций. Интенсивность света других цветов в выходном луче называется уровнем рассеянного света и является наиболее важной характеристикой монохроматора для многих применений. Достижение низкого уровня рассеянного света - большая часть искусства создания практичного монохроматора.

Дифракционные решетки и световые решетки

Решетчатые монохроматоры рассеивают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение, как правило, с использованием реплик решеток, которые изготавливаются из эталонной решетки. Мастер-решетка состоит из твердой, оптически плоской поверхности с большим количеством параллельных и близко расположенных канавок. Изготовление эталонной решетки - длительный и дорогостоящий процесс, потому что канавки должны быть одинакового размера, точно параллельны и равномерно распределены по длине решетки (3–10 см). Решетка для ультрафиолетовой и видимой области обычно имеет 300–2000 штрихов / мм, однако чаще всего встречается 1200–1400 штрихов / мм. Для инфракрасной области решетки обычно имеют 10–200 штрихов / мм. При использовании дифракционной решетки необходимо соблюдать осторожность при проектировании широкополосных монохроматоров, поскольку дифракционная картина имеет перекрывающиеся порядки. Иногда широкополосные фильтры преселектора вставляются в оптический путь, чтобы ограничить ширину порядков дифракции, чтобы они не перекрывались. Иногда для этого используют призму в качестве одного из монохроматоров конструкции двойного монохроматора.

Исходные дифракционные решетки высокого разрешения были исключены. Создание высококачественных управляющих двигателей было большим мероприятием (а также чрезвычайно сложным в прошлые десятилетия), а хорошие решетки стоили очень дорого. Наклон треугольной канавки в линейчатой ​​решетке обычно регулируется для повышения яркости определенного порядка дифракции. Это называется поджиганием решетки. Линейчатые решетки имеют дефекты, которые создают слабые «призрачные» дифракционные порядки, которые могут повысить уровень рассеянного света монохроматора. Более поздняя фотолитографическая техника позволяет создавать решетки из голографической интерференционной картины. Голографические решетки имеют синусоидальные канавки и поэтому не такие яркие, но имеют более низкий уровень рассеянного света, чем светящиеся решетки. Почти все решетки, фактически используемые в монохроматорах, представляют собой тщательно изготовленные копии линейчатых или голографических мастер-решеток.

Призмы

Внутренняя структура отражающего монохроматора с использованием единственной призмы. Желтая линия указывает путь света.

Призмы имеют более высокую дисперсию в УФ- диапазоне . Призменные монохроматоры используются в некоторых приборах, которые в основном предназначены для работы в далекой УФ-области. Однако в большинстве монохроматоров используются решетки. Некоторые монохроматоры имеют несколько решеток, которые можно выбрать для использования в разных спектральных областях. Двойной монохроматор, изготовленный путем последовательного размещения призмы и решетчатого монохроматора, обычно не требует дополнительных полосовых фильтров для выделения одного порядка решеток.

Фокусное расстояние

Узость полосы цветов, которую может генерировать монохроматор, связана с фокусным расстоянием коллиматоров монохроматора. К сожалению, использование оптической системы с большим фокусным расстоянием также снижает количество света, которое может быть принято от источника. Монохроматоры с очень высоким разрешением могут иметь фокусное расстояние 2 метра. Создание таких монохроматоров требует особого внимания к механической и термической стабильности. Для многих применений считается, что монохроматор с фокусным расстоянием около 0,4 метра имеет отличное разрешение. Многие монохроматоры имеют фокусное расстояние менее 0,1 метра.

Высота щели

Наиболее распространенная оптическая система использует сферические коллиматоры и, таким образом, содержит оптические аберрации, которые искривляют поле, в котором изображения щелей попадают в фокус, так что щели иногда изогнуты, а не просто прямые, чтобы приблизиться к кривизне изображения. Это позволяет использовать более высокие щели, собирая больше света, сохраняя при этом высокое спектральное разрешение. В некоторых конструкциях используется другой подход и вместо этого для коррекции кривизны используются тороидальные коллимирующие зеркала, позволяющие получить более высокие прямые щели без ущерба для разрешения.

Длина волны против энергии

Монохроматоры часто калибруются в единицах длины волны. Равномерное вращение решетки вызывает синусоидальное изменение длины волны, которое приблизительно линейно для малых углов решетки, поэтому такой прибор легко построить. Однако многие из основных физических явлений, которые изучаются, линейны по энергии, и, поскольку длина волны и энергия имеют взаимное отношение, спектральные паттерны, которые просты и предсказуемы при отображении как функция энергии, искажаются при отображении как функция длины волны. Некоторые монохроматоры откалиброваны в единицах обратных сантиметров или некоторых других единицах энергии, но шкала может быть нелинейной.

Динамический диапазон

Спектрофотометр построен с высоким качеством двойного монохроматора может производить свет достаточной чистоты и интенсивности , что прибор может измерять узкую полосу оптического затухания около одного миллиона раз (6 AU, единицах оптической плотности).

Приложения

Монохроматоры используются во многих оптических измерительных приборах и в других приложениях, где требуется настраиваемый монохроматический свет. Иногда монохроматический свет направляется на образец и измеряется отраженный или прошедший свет. Иногда белый свет направляется на образец, и монохроматор используется для анализа отраженного или прошедшего света. Во многих флуорометрах используются два монохроматора ; один монохроматор используется для выбора длины волны возбуждения, а второй монохроматор используется для анализа излучаемого света.

Автоматический сканирующий спектрометр включает механизм для изменения длины волны, выбранной монохроматором, и для регистрации результирующих изменений измеряемой величины в зависимости от длины волны.

Если устройство формирования изображения заменяет выходную щель, результатом является базовая конфигурация спектрографа . Эта конфигурация позволяет одновременно анализировать интенсивность широкой полосы цветов. Можно использовать фотопленку или массив фотодетекторов, например, для сбора света. Такой прибор может записывать спектральную функцию без механического сканирования, хотя возможны компромиссы, например, с точки зрения разрешения или чувствительности.

Спектрофотометр поглощения измеряет поглощение света образцом в зависимости от длины волны. Иногда результат выражается в процентах передачи, а иногда в виде обратного логарифма передачи. Закон Бера-Ламберта связывает поглощение света с концентрацией светопоглощающего материала, длиной оптического пути и внутренним свойством материала, называемым молярной поглощающей способностью. В соответствии с этим соотношением уменьшение интенсивности экспоненциально по концентрации и длине пути. Уменьшение этих величин линейно при использовании обратного логарифма передачи. Старая номенклатура для этого значения была оптической плотностью (OD), текущая номенклатура - это единицы оптической плотности (AU). Одна а.е. - это десятикратное снижение интенсивности света. Шесть AU - это сокращение в миллион раз.

Абсорбционные спектрофотометры часто содержат монохроматор для подачи света на образец. Некоторые абсорбционные спектрофотометры имеют возможность автоматического спектрального анализа.

Абсорбционные спектрофотометры находят множество повседневных применений в химии, биохимии и биологии. Например, они используются для измерения концентрации или изменения концентрации многих веществ, поглощающих свет. Критические характеристики многих биологических материалов, например многих ферментов, измеряются путем запуска химической реакции, которая вызывает изменение цвета, зависящее от присутствия или активности изучаемого материала. Оптические термометры были созданы путем калибровки изменения оптической плотности материала в зависимости от температуры. Есть много других примеров.

Спектрофотометры используются для измерения коэффициента зеркального отражения зеркал и коэффициента диффузного отражения цветных объектов. Они используются для характеристики солнцезащитных очков, очков для защиты от лазера и других оптических фильтров . Есть много других примеров.

В УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектрофотометры поглощения и отражения обычно освещают образец монохроматическим светом. В соответствующих ИК-приборах монохроматор обычно используется для анализа света, исходящего от образца.

Монохроматоры также используются в оптических приборах, которые измеряют другие явления, помимо простого поглощения или отражения, везде, где цвет света является значительной переменной. Спектрометры кругового дихроизма содержат, например, монохроматор.

Лазеры излучают гораздо более монохроматический свет, чем обсуждаемые здесь оптические монохроматоры, но только некоторые лазеры легко настраиваются, и эти лазеры не так просты в использовании.

Монохроматический свет позволяет измерять квантовую эффективность (QE) устройства формирования изображения (например, ПЗС- или КМОП-формирователя изображения). Свет из выходной щели проходит либо через рассеиватели, либо через интегрирующую сферу на устройство формирования изображения, в то время как калиброванный детектор одновременно измеряет свет. Координация формирователя изображения, откалиброванного детектора и монохроматора позволяет рассчитать носители (электроны или дырки), генерируемые для фотона с заданной длиной волны, QE.

Смотрите также

  • В атомно-абсорбционных спектрометрах используется свет от ламп с полым катодом, которые излучают свет, генерируемый атомами определенного элемента, например железа, свинца или кальция. Доступные цвета фиксированные, но очень одноцветные и отлично подходят для измерения концентрации определенных элементов в образце. Эти инструменты ведут себя так, как если бы они содержали монохроматор очень высокого качества, но их использование ограничивается анализом элементов, для которых они оборудованы.
  • Основной метод измерения ИК-излучения, ИК- преобразование Фурье или ИК-Фурье, не использует монохроматор. Вместо этого измерение выполняется во временной области с использованием метода автокорреляции поля .
  • Полихроматор
  • Сверхбыстрый монохроматор - монохроматор, который компенсирует задержки длины пути, которые могут растягивать ультракороткие импульсы
  • Фильтр Вина - метод получения «монохроматических» электронных пучков, в котором все электроны имеют почти одинаковую энергию.

использованная литература

внешние ссылки