Articolo 2: Cos'è uno spettrometro a fibra ottica e come si scelgono la fessura e la fibra appropriate?
Gli spettrometri a fibra ottica rappresentano attualmente la classe predominante di spettrometri.Questa categoria di spettrometri consente la trasmissione di segnali ottici attraverso un cavo in fibra ottica, spesso chiamato ponticello in fibra ottica, che facilita maggiore flessibilità e praticità nell'analisi spettrale e nella configurazione del sistema.A differenza dei convenzionali spettrometri da laboratorio di grandi dimensioni dotati di lunghezze focali tipicamente comprese tra 300 mm e 600 mm e che utilizzano reticoli di scansione, gli spettrometri a fibra ottica utilizzano reticoli fissi, eliminando la necessità di motori rotanti.Le lunghezze focali di questi spettrometri sono tipicamente nell'ordine di 200 mm, o possono essere anche più corte, fino a 30 mm o 50 mm.Questi strumenti sono di dimensioni estremamente compatte e sono comunemente indicati come spettrometri a fibra ottica in miniatura.
Spettrometro a fibra in miniatura
Uno spettrometro a fibra ottica in miniatura è più popolare nelle industrie grazie alla sua compattezza, convenienza, capacità di rilevamento rapido e notevole flessibilità.Lo spettrometro a fibra ottica in miniatura comprende tipicamente una fessura, uno specchio concavo, un reticolo, un rilevatore CCD/CMOS e un circuito di comando associato.È collegato al software del computer host (PC) tramite un cavo USB o un cavo seriale per completare la raccolta dei dati spettrali.
Struttura dello spettrometro a fibra ottica
Lo spettrometro a fibra ottica è dotato di un adattatore di interfaccia in fibra, fornisce una connessione sicura per la fibra ottica.Le interfacce in fibra SMA-905 sono utilizzate nella maggior parte degli spettrometri a fibra ottica, tuttavia alcune applicazioni richiedono interfacce FC/PC o in fibra non standard, come l'interfaccia in fibra multi-core cilindrica da 10 mm di diametro.
Interfaccia in fibra SMA905 (nera), interfaccia in fibra FC/PC (gialla).Sull'interfaccia FC/PC è presente uno slot per il posizionamento.
Il segnale ottico, dopo aver attraversato la fibra ottica, passerà prima attraverso una fenditura ottica.Gli spettrometri in miniatura utilizzano tipicamente fenditure non regolabili, dove la larghezza della fenditura è fissa.Considerando che lo spettrometro a fibra ottica JINSP offre larghezze di fessura standard di 10μm, 25μm, 50μm, 100μm e 200μm in varie specifiche e sono disponibili anche personalizzazioni in base alle esigenze dell'utente.
La variazione della larghezza della fessura può avere un impatto sul flusso luminoso e sulla risoluzione ottica comunemente; questi due parametri mostrano una relazione di compromesso.Più stretta è la larghezza della fessura, maggiore è la risoluzione ottica, anche se a scapito di un flusso luminoso ridotto.È essenziale notare che l'espansione della fenditura per aumentare il flusso luminoso presenta limitazioni o non è lineare.Allo stesso modo, la riduzione della fenditura presenta limitazioni sulla risoluzione ottenibile.L'utente deve valutare e selezionare la fessura adatta in base alle sue effettive esigenze, ad esempio dando priorità al flusso luminoso o alla risoluzione ottica.A questo proposito, la documentazione tecnica fornita per gli spettrometri a fibra ottica JINSP include una tabella completa che correla le larghezze delle fenditure con i corrispondenti livelli di risoluzione, che funge da prezioso riferimento per gli utenti.
Un divario ristretto
Tabella comparativa della risoluzione della fessura
Gli utenti, durante l'impostazione di un sistema spettrometrico, devono scegliere le fibre ottiche appropriate per ricevere e trasmettere segnali alla posizione della fessura dello spettrometro.Quando si selezionano le fibre ottiche è necessario considerare tre parametri importanti.Il primo parametro è il diametro del nucleo, che è disponibile in una gamma di possibilità tra cui 5μm, 50μm, 105μm, 200μm, 400μm, 600μm e diametri anche maggiori oltre 1 mm.È importante notare che l'aumento del diametro del nucleo può aumentare l'energia ricevuta all'estremità anteriore della fibra ottica.Tuttavia, la larghezza della fenditura e l'altezza del rilevatore CCD/CMOS limitano i segnali ottici che lo spettrometro può ricevere.Pertanto, l'aumento del diametro del nucleo non migliora necessariamente la sensibilità.Gli utenti dovrebbero scegliere il diametro del nucleo appropriato in base alla configurazione effettiva del sistema.Per gli spettrometri B&W Tek che utilizzano rilevatori CMOS lineari in modelli come SR50C e SR75C, con una configurazione a fessura da 50μm, si consiglia di utilizzare una fibra ottica con diametro del nucleo di 200μm per la ricezione del segnale.Per gli spettrometri con rilevatori CCD ad area interna in modelli come SR100B e SR100Z, può essere opportuno considerare fibre ottiche più spesse, come 400μm o 600μm, per la ricezione del segnale.
Diversi diametri di fibra ottica
Segnale in fibra ottica accoppiato alla fessura
Il secondo aspetto è la gamma di lunghezze d'onda operative e i materiali delle fibre ottiche.I materiali in fibra ottica includono tipicamente fibre ad alto contenuto di OH (alto idrossile), a basso contenuto di OH (basso idrossile) e resistenti ai raggi UV.Materiali diversi hanno caratteristiche di trasmissione della lunghezza d'onda diverse.Le fibre ottiche ad alto contenuto di OH vengono generalmente utilizzate nella gamma della luce ultravioletta/visibile (UV/VIS), mentre le fibre a basso contenuto di OH vengono utilizzate nella gamma del vicino infrarosso (NIR).Per la gamma degli ultravioletti, dovrebbero essere prese in considerazione fibre speciali resistenti ai raggi UV.Gli utenti dovrebbero scegliere la fibra ottica appropriata in base alla lunghezza d'onda operativa.
Il terzo aspetto è il valore dell'apertura numerica (NA) delle fibre ottiche.A causa dei principi di emissione delle fibre ottiche, la luce emessa dall'estremità della fibra è confinata entro un determinato intervallo di angoli di divergenza, caratterizzato dal valore NA.Le fibre ottiche multimodali hanno generalmente valori NA di 0,1, 0,22, 0,39 e 0,5 come opzioni comuni.Prendendo come esempio il più comune 0,22 NA, significa che il diametro dello spot della fibra dopo 50 mm è di circa 22 mm, e dopo 100 mm il diametro è di 44 mm.Quando si progetta uno spettrometro, i produttori in genere considerano la corrispondenza il più fedele possibile al valore NA della fibra ottica per garantire la massima ricezione di energia.Inoltre, il valore NA della fibra ottica è correlato all'accoppiamento delle lenti all'estremità anteriore della fibra.Anche il valore NA della lente dovrebbe corrispondere il più possibile al valore NA della fibra per evitare la perdita di segnale.
Il valore NA della fibra ottica determina l'angolo di divergenza del fascio ottico
Quando le fibre ottiche vengono utilizzate insieme a lenti o specchi concavi, il valore NA deve corrispondere il più fedelmente possibile per evitare perdite di energia
Gli spettrometri a fibra ottica ricevono la luce ad angoli determinati dal loro valore NA (apertura numerica).Il segnale incidente sarà pienamente utilizzato se la NA della luce incidente è inferiore o uguale alla NA dello spettrometro.La perdita di energia si verifica quando la NA della luce incidente è maggiore della NA dello spettrometro.Oltre alla trasmissione in fibra ottica, per raccogliere segnali luminosi è possibile utilizzare l'accoppiamento ottico nello spazio libero.Ciò comporta la convergenza della luce parallela in una fessura utilizzando lenti.Quando si utilizzano percorsi ottici nello spazio libero, è importante scegliere lenti appropriate con un valore NA corrispondente a quello dello spettrometro, garantendo al tempo stesso che la fenditura dello spettrometro sia posizionata al fuoco della lente per ottenere il massimo flusso luminoso.
Accoppiamento ottico nello spazio libero
Orario di pubblicazione: 13 dicembre 2023