Какие спектрометры бывают, физические свойства, как работают

Как правило, оптический спектрометр - это прибор, который может быть использован для исследования свойств света, веществ или объектов, зависящих от длины волны, термин довольно широкий

Устройство может пространственно разделять спектральные компоненты света, чтобы их можно было анализировать отдельно. Например, с помощью фотопластинки или внешнего фотоприемника. Используемый полихроматор обычно представляет собой либо дифракционную решетку, либо призму.

Спектрометр часто также содержит некоторый фотодетектор(ы) для анализа интенсивностей. Спектограф, содержащий большую матрицу детекторов, может быть использован для записи оптического спектра источника света без сканирования, например, ориентации решетки. Когда такие устройства оснащены калибровкой интенсивности, они более конкретно называются спектрорадиометрами.

Другие оптические спектрометры предназначены для анализа веществ или объектов с точки зрения спектроскопических свойств. Например, коэффициента пропускания или отражения, зависящего от длины волны. Они более конкретно называются спектрофотометрами и находят применение, например, в таких областях, как химия. Особенно высокие спектральные разрешения в сочетании с высокой чувствительностью получаются с помощью лазерных спектрометров, содержащих несколько перестраиваемых по ширине лазеров. Однако они часто могут охватывать лишь весьма ограниченные области спектра.

Также многие виды спектрометров вне области оптики и фотоники. Например, устройства для измерения скорости частиц или распределения частиц по размерам. Однако эта статья полностью посвящена спектрометрам для спектрального анализа света.

Измерения с помощью спектрометров обычно обеспечивают спектральную плотность оптической мощности (PSD) в зависимости от длины волны или оптической частоты. Не все спектрометры выдают откалиброванные PSD. Часто показания интенсивности не откалиброваны, возможно, со значительной зависимостью длины волны от (неизвестного) калибровочного коэффициента (чувствительности).

Существуют также методы спектральной фазовой интерферометрии, которые позволяют измерять не только спектральную плотность мощности, но и спектральную фазу. Существуют спектрометры, которые также обладают возможностями визуализации и называются спектрометрами визуализации. 

Если необходимо измерить только ширину спектральной линии лазерного луча, но не детальную форму спектра, можно использовать другие методы, например, выполнить измерения ширины линии с собственным гетеродином. С помощью таких методов можно измерять очень малые ширины линий, которые намного ниже типичного разрешения спектрометра.

Типы спектрометров

Спектрографы

Спектрограф содержит фиксированную дифракционную решетку или какой-либо другой полихроматор (устройство, которое может пространственно разделять компоненты света с разной длиной волны) и какой-либо многоканальный фотоприемник (например, матрицу фотодиодов) для измерения спектральной интенсивности света. Ранние версии спектрографов использовали фотопластинки для записи спектров. 

Фотоприемники – это устройства, которые выдают электронный выходной сигнал – например, напряжение или электрический ток. Он пропорционален падающей оптической мощности.используемые для обнаружения света - в большинстве случаев его оптической мощности. Более конкретно, фотоприемники обычно понимаются как детекторы фотонов, которые каким-то образом используют фотовозбуждение электрических носителей.

Таким образом, можно измерить оптический спектр источника света. В отличие от этого, некоторые другие типы спектрометров используют вращающуюся решетку и / или движущийся детектор. По сравнению с ними спектрограф имеет предварительно более простую настройку и может получать спектры быстрее, но может не достигать той же производительности, например, с точки зрения спектрального разрешения или ширины охватываемой спектральной области.

Применение спектрографов

Вот некоторые типичные области применения спектрографов:

• Звездные и солнечные спектрографы используются для детального анализа излучения звезд. Например, можно измерить расположение и силу определенных линий поглощения (линий Фраунгофера) для измерения химического состава и относительных скоростей.
• С помощью лабораторного спектрографа можно спектрально анализировать флуоресцентный свет, например, от газовых разрядов или от активных оптических волокон.
• В спектральной фазовой интерферометрии часто требуется спектрограф для измерения положения минимумов и максимумов в оптических спектрах. Калибровка интенсивности часто не требуется.
• Спектрографы также используются для других методов определения характеристик импульсов, например, для оптического стробирования с частотным разрешением.

Спектрометры на основе дифракционных решеток или призм

Большинство спектрометров основаны на каком-то полихроматоре, то есть устройстве, которое может пространственно разделять компоненты света с различными длинами волн. Обычно они используют либо зависящую от длины волны дифракцию на одной или нескольких дифракционных решетках, либо зависящее от длины волны преломления на одной или нескольких призмах.

Как правило, падающий луч коллимируется (становится параллельным) перед отправкой на решетку или призму. После этого дисперсионного элемента компоненты с разной длиной волны распространяются в несколько разных направлениях. Затем свет может проходить через дополнительную оптику и, наконец, попадать на фотоприемник.

Для получения спектрографа (несканирующего спектрометра) фотоприемником может быть матрица фотодиодов, матрица ПЗС или аналогичная, регистрирующая интенсивности в некотором пространственном диапазоне, которые соответствуют определенному спектральному интервалу. 

Можно напрямую получить спектр, сопоставив пиксели детектора с длинами волн. В этом случае сбор данных происходит относительно быстро, поскольку все компоненты длины волны могут быть измерены одновременно. Затем разрешение обычно ограничивается плотностью пикселей детектора или, возможно, оптической настройкой. Положения спектральных пиков могут быть определены с точностью лучше, чем в соответствии с расстоянием между пикселями, с использованием интерполяции.

Некоторые спектрометры с решетками чрезвычайно компактны, их ширина составляет всего несколько сантиметров. Однако самая высокая производительность – особенно с точки зрения разрешения и чувствительности – достигается с помощью гораздо более крупных приборов. Типичное разрешение по длине волны, достигаемое с помощью таких спектрометров, составляет от 0,01 до 0,1 нм.

В зависимости от типа используемого спектрометра (например, спектрометра с решеткой) необходимо учитывать различные детали:

• Входной свет часто приходится направлять на входную щель переменной ширины. Для получения максимального спектрального разрешения щель следует сделать узкой, но это снижает передаваемую мощность и, следовательно, может привести к увеличению шума или увеличению времени приема, особенно для источников с низкой яркостью. 
• Некоторые спектрометры имеют оптоволоконный вход, либо с многомодовым волокном, либо с одноразовым волокном. Многомодовые волокна облегчают сбор света, в то время как одномодовые волокна обеспечивают высочайшую производительность спектрометра.
• Дифракционные решетки часто используются с первым порядком дифракции, но иногда с более высокими порядками дифракции, чтобы получить лучшую производительность. В любом случае могут возникнуть проблемы с артефактами, связанными с дифрагированием света на других порядках. Если кто-то обнаруживает спектральные особенности, которые трудно объяснить, можно проверить, могут ли они быть такими особенностями.
• Отклик спектрометра может зависеть от поляризации, поскольку дифракционная эффективность решетки или потери на отражение в призменном устройстве зависят от поляризации.
• Некоторые спектрометры должны быть откалиброваны пользователем. Для калибровки длины волны можно использовать определенные газоразрядные лампы, излучающие линейчатые спектры с точно определенными компонентами длины волны. Калибровка чувствительности для всего интервала длин волн часто сложнее. Одной из возможностей является использование лампы накаливания с известной температурой накаливания или калиброванным спектром.

Интерферометрические спектрометры

Высокое спектральное разрешение, но только в очень ограниченном спектральном диапазоне, достигается с помощью различных типов интерферометрических спектрометров:

• Некоторые приборы основаны на интерферометре Фабри-Перо, в котором расстояние между зеркалами сканируется механически, например, с помощью пьезоэлектрического привода, при этом регистрируется передаваемая оптическая мощность. Используемый спектральный интервал представляет собой так называемый свободный спектральный диапазон, определяемый расстоянием между зеркалами; обычно он составляет от 0,1 ГГц до 10 ГГц, то есть очень мал в нанометрах. 
• Полоса пропускания разрешения - это свободный спектральный диапазон, деленный на тонкость, последняя определяется в основном отражательной способностью зеркала. Большие расстояния между зеркалами обеспечивают более высокую производительность, но также приводят к узкому свободному спектральному диапазону.
• Спектометры с преобразованием Фурье могут содержать интерферометр Майкельсона, в котором можно механически сканировать одну длину плеча на большом расстоянии (миллиметры, сантиметры или даже больше). Зависимость сигнала детектора от времени, записанного во время сканирования на всю длину руки, должна быть преобразована Фурье для получения оптического спектра. Преимущества заключаются в потенциально высоком спектральном разрешении и в том, что для этого требуется только одноэлементный фотоприемник.
• Упрощенной версией является волнометр, специализирующийся на точном измерении только длины волны лазерного источника, а не на записи полных спектров.
• Линейчатые долноводные решетки иногда используются для очень компактных спектрометров. Они основаны на эффектах интерференции в небольшом волноводном устройстве.

Дисперсионный спектральный анализ, основанный на времени распространения света

Совершенно другой принцип работы может быть реализован для спектрального анализа широкополосных ультракоротких импульсов. Можно просто посылать такие импульсы через длинное волокно, что приводит к существенной хроматической дисперсии. Последнее затем приводит к существенно различным временам прихода различных спектральных компонентов после волокна: импульс с первоначальной длительностью импульса намного ниже 100 фс может затем распространяться, например, на несколько наносекунд. 

Анализируя этот свет с помощью быстрого фотодиода и осциллографа, можно получить информацию о спектре. Конечно, следует убедиться, что оптические нелинейности не искажают результаты; в волокнах это сильно ограничивает допустимую пиковую мощность.

Очень привлекательным свойством этого метода является высокая скорость, с которой может быть записан спектр. Для этой цели достаточно одного ультракороткого импульса, тогда как обычному сканирующему спектрометру, например, для этого может потребоваться много секунд, и он будет усреднять спектр по многим импульсами последовательности импульсов.

Спектометры для экстримальных областей спектра

Традиционные спектрометры работают в видимом спектральном диапазоне и / или с ближним инфракрасном или, возможно, с ближним ультрафиолетовым светом. Однако существуют также спектрометры для работы в экстремальных спектральных областях.

Некоторые устройства работают с короткими длинами волн, то есть в экстремальном ультрафиолетовом или даже рентгеновском диапазоне, с длинами волн всего в несколько нанометров. Такие устройства могут быть основаны на дифракционных решетках с очень маленькими расстояниями между линиями или в рентгеновской области даже на монокристаллах, используя периодичность в атомном масштабе. В качестве фотоприемников можно использовать специальные рентгеновские ПЗС-камеры или многоканальные пластинчатые (MCP) детекторы.

Другие спектрометры подходят для спектральной области среднего инфракрасного диапазона. Для них требуется специальная, а также подходящие детекторы. Длинноволновые фотоприемники доступны, но с ограниченными характеристиками с точки зрения шума обнаружения и полосы пропускания. 

Существенные улучшения возможны путем преобразования инфракрасного излучения в видимый или ближний ИК-диапазон с использованием генерации суммарной частоты с помощью лазера, чтобы использовать более мощные фотоприемники видимого или ближнего ИК-диапазона. Этот аспект особенно важен дляспектографы, где требуется многоканальный детектор. Такие устройства в основном доступны в кремниевой технологии, которая подходит только для длин волн ниже ≈ 1 мкм.

Применение спектрометров

Потому что спектрометры находят применение в широком спектре областей. Некоторые типичные примеры:

• В оптических технологиях и фундаментальной физике спектрометры применяются для характеристики различных видов источников света и оптических компонентов.
• Астрономия с оптическими телескопами часто использует спектрометры, например, для получения дополнительной информации о галактиках, звездах и планетах.
• В химии спектрометры могут использоваться для идентификации веществ или измерения концентраций нескольких веществ. Например, в жидких растворах или в газах. 

В зависимости от области применения требования, касающиеся покрываемой области длин волн, производительности (например, разрешения, чувствительности, скорости и т.д.) и стоимости, могут сильно различаться. Поэтому в продаже имеется широкий ассортимент спектрометров, и разрабатываются специализированные версии для специальных применений, например, в астрономии.