Parole chiave: reticolo olografico in fase solida VPH, spettrofotometro di trasmittanza, spettrometro di riflettanza, percorso ottico di Czerny-Turner.
1. Panoramica
Gli spettrometri a fibra ottica possono essere classificati in riflessione e trasmissione, a seconda del tipo di reticolo di diffrazione.Un reticolo di diffrazione è fondamentalmente un elemento ottico, caratterizzato da un gran numero di motivi equidistanti sia sulla superficie che internamente.È uno spettrometro a fibra ottica con un componente critico.Quando la luce interagisce con questi reticoli, si disperde in angoli distinti determinati da diverse lunghezze d'onda attraverso un fenomeno noto come diffrazione della luce.
Sopra: spettrometro di riflettanza discriminante (a sinistra) e spettrometro di trasmittanza (a destra)
I reticoli di diffrazione sono generalmente classificati in due tipi: reticoli di riflessione e reticoli di trasmissione.I reticoli di riflessione possono essere ulteriormente suddivisi in reticoli di riflessione piana e reticoli concavi, mentre i reticoli di trasmissione possono essere suddivisi in griglie di trasmissione del tipo a scanalatura e griglie di trasmissione olografiche a fase di volume (VPH).Questo articolo presenta principalmente lo spettrometro di riflettanza a reticolo piano blaze e lo spettrometro di trasmittanza a reticolo VPH.
Sopra: reticolo di riflessione (a sinistra) e reticolo di trasmissione (a destra).
Perché la maggior parte degli spettrometri ora sceglie la dispersione a reticolo invece del prisma?È determinato principalmente dai principi spettrali del reticolo.Il numero di linee per millimetro sul reticolo (densità delle linee, unità: linee/mm) determina le capacità spettrali del reticolo.Una maggiore densità della linea del reticolo determina una maggiore dispersione della luce di diverse lunghezze d'onda dopo il passaggio attraverso il reticolo, con conseguente maggiore risoluzione ottica.Generalmente, le densità di scanalature disponibili e reticolari includono 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600, ecc., soddisfacendo i requisiti per varie gamme spettrali e risoluzioni.Mentre, la spettroscopia del prisma è limitata dalla dispersione dei materiali di vetro, dove la proprietà dispersiva del vetro determina la capacità spettroscopica del prisma.Poiché le proprietà dispersive dei materiali di vetro sono limitate, è difficile soddisfare in modo flessibile i requisiti di varie applicazioni spettrali.Pertanto, viene utilizzato raramente negli spettrometri commerciali a fibra ottica in miniatura.
Didascalia: Effetti spettrali di diverse densità di scanalature del reticolo nel diagramma sopra.
La figura mostra la spettrometria di dispersione della luce bianca attraverso vetro e la spettrometria di diffrazione attraverso un reticolo.
La storia dello sviluppo dei reticoli inizia con il classico "esperimento della doppia fenditura di Young": nel 1801, il fisico britannico Thomas Young scoprì l'interferenza della luce utilizzando un esperimento della doppia fenditura.La luce monocromatica che passa attraverso doppie fessure esibisce frange chiare e scure alternate.L'esperimento della doppia fenditura ha confermato per la prima volta che la luce presenta caratteristiche simili alle onde dell'acqua (la natura ondulatoria della luce), suscitando scalpore nella comunità dei fisici.Successivamente, diversi fisici condussero esperimenti di interferenza con fenditure multiple e osservarono il fenomeno della diffrazione della luce attraverso i reticoli.Successivamente, il fisico francese Fresnel sviluppò la teoria di base della diffrazione del reticolo combinando le tecniche matematiche avanzate dallo scienziato tedesco Huygens, attingendo a questi risultati.
La figura mostra l'interferenza della doppia fenditura di Young a sinistra, con frange chiare e scure alternate.Diffrazione multi-fenditura (a destra), distribuzione delle bande colorate a diversi ordini.
2. Spettrometro riflettente
Gli spettrometri a riflessione utilizzano tipicamente un percorso ottico composto da un reticolo di diffrazione piano e specchi concavi, denominato percorso ottico di Czerny-Turner.Generalmente è costituito da una fenditura, un reticolo piano, due specchi concavi e un rilevatore.Questa configurazione è caratterizzata da alta risoluzione, bassa luce diffusa ed elevata produttività ottica.Dopo che il segnale luminoso è entrato attraverso una stretta fenditura, viene prima collimato in un fascio parallelo da un riflettore concavo, che poi colpisce un reticolo di diffrazione planare dove le lunghezze d'onda costituenti vengono diffratte ad angoli distinti.Infine, un riflettore concavo focalizza la luce diffratta su un fotorilevatore e i segnali di diverse lunghezze d'onda vengono registrati da pixel in diverse posizioni sul chip del fotodiodo, generando infine uno spettro.In genere, uno spettrometro a riflessione include anche alcuni filtri di soppressione della diffrazione del secondo ordine e lenti a colonna per migliorare la qualità degli spettri di uscita.
La figura mostra uno spettrometro a reticolo del percorso ottico CT di tipo incrociato.
Va detto che Czerny e Turner non sono gli inventori di questo sistema ottico ma sono commemorati per i loro eccezionali contributi al campo dell'ottica: l'astronomo austriaco Adalbert Czerny e lo scienziato tedesco Rudolf W. Turner.
Il cammino ottico di Czerny-Turner può generalmente essere classificato in due tipi: incrociato e spiegato (tipo M).Il percorso ottico incrociato/percorso ottico di tipo M è più compatto.Qui, la distribuzione simmetrica sinistra-destra di due specchi concavi rispetto al reticolo piano, mostra una compensazione reciproca delle aberrazioni fuori asse, con conseguente risoluzione ottica più elevata.Lo spettrometro a fibra ottica SpectraCheck® SR75C utilizza un percorso ottico di tipo M e raggiunge un'elevata risoluzione ottica fino a 0,15 nm nell'intervallo ultravioletto di 180-340 nm.
Sopra: percorso ottico di tipo incrociato/percorso ottico di tipo espanso (tipo M).
Inoltre, oltre alle griglie piatte, esiste anche una griglia concava.La griglia concava può essere intesa come una combinazione di uno specchio concavo e una griglia.Pertanto, uno spettrometro a reticolo concavo è costituito solo da una fessura, un reticolo concavo e un rilevatore, il che garantisce un'elevata stabilità.Tuttavia, il reticolo concavo fissa i requisiti sia sulla direzione che sulla distanza della luce diffratta incidente, limitando le opzioni disponibili.
Sopra: spettrometro a reticolo concavo.
Orario di pubblicazione: 26 dicembre 2023