Спектрометр — это оптическое устройство для исследований с накоплением и разного рода обработкой спектра, конечной целью которого является проведение разного типа аналитических методик. Название «спектрометр» является объединяющим для очень широкого круга приборов, которые работают в областях от гамма волн до ИК излучения.
Спектр изучаемых объектов — результат действия на исследуемое вещество флуоресценции, которая регистрируется благодаря действия на образец какого-либо излучения. Регистрировать спектр может полупроводниковое детекторное устройство, сцинтилляционный счётчик, детекторные устройства на базе прибора с зарядовой связью.
Развитие и совершенствование спектрометров шло нога в ногу с развитием микроэлектроники и физики, особенно в области детектирования спектра в инертных средах и средах с высоким разряжением. К современным спектрометрам для работы в лабораториях предъявлялись определенные требования: точность определения, минимальные габаритные размеры, возможность технического обслуживания прибора в условиях лаборатории. С развитием прецизионного измерительного оборудования все эти требования только возрастали, и наиболее заметная эволюция произошла в системе детектирования и обработки спектра. Ее связывают с появлением полупроводниковых технологий, в особенности приборов с зарядовой связью (ПЗС матриц), комплементарных металлоксидных полупроводниковых матриц (КМОП). Использование детекторов на основе таких матриц позволяет избежать необходимость применения движущейся решетки в спектрометре, этим преимуществом воспользовалась компания Avantes – крупнейший производитель волоконного измерительного оборудования для спектрального анализа.
Конфигурация спектрометров AvaSpec
Основу спектрометра составляет оптическая скамья в конфигурации Черни-Тернера с фокусным расстоянием 37,5, 45, 50 или 75 мм. Свет поступает в монохроматор через стандартный разъем SMA-905 и коллимируется сферическим зеркалом. Затем коллимированный пучок падает на дифракционную решетку, после чего фокусируется сферическим зеркалом. Изображение спектра проецируется на одномерную линейную матрицу фотоприёмника.
Высокочувствительные спектрометры Avantes имеют усовершенствованную конструкцию оптической скамьи с несколькими тороидальными зеркалами, таким образом полная числовая апертура волокна полностью проецируется на ПЗС матрицу просветленного типа.
Все оптические скамьи имеют ряд компонентов, которые могут варьироваться: дифракционная решетка, входная щель, фильтр, покрытие матрицы. Эти компоненты оказывают прямое влияние на главные характеристики системы: чувствительность, разрешение, полоса пропускания и светорассеяние.
Дифракционная решетка спектрометра и рабочий диапазон
Диапазон длин волн является ключевым параметром выбора дифракционной решетки. Если требуется анализировать широкополосное излучение, рекомендуется использовать решетку с постоянной 300 штрихов/мм. Для анализа более узкого рабочего диапазона (до 500 нм) подойдет решетка с постоянной 600 штрихов/мм.
Также для широкого рабочего диапазона можно использовать двухканальный или многоканальный спектрометр. В этой конфигурации каждый канал может быть оснащен различными решетками, охватывающими часть интересующего диапазона. В дополнение к более широкому рабочему диапазону, двухканальный или многоканальный спектрометр сможет обеспечить более высокое разрешение для каждого канала.
Размер щели и разрешающая способность
Размер щели влияет на разрешающую и пропускную способности оптической скамьи спектрометра. Для большинства приложений рекомендуется использовать самую маленькую щель (10 мкм). Если нет потребности в высоком разрешении, и вы работаете с высокоинтенсивным узкополосным излучением (лазером), рекомендуется остановить выбор на щели большего размера, таким образом удастся максимизировать пропускную способность. Решение реализовано в спектрометре AvaSpec-RS, который поставляется с набором сменных щелей.
Разрешающая способность
Для спектрометров AvaSpec доступные размеры щелей представлены рядом: 10, 25, 50, 100, 200 мкм в ширину на 1000 мкм в высоту и 500 мкм в ширину на 2000 мкм в высоту. Изображение щели на матрице детектора для заданной длины волны будет охватывать несколько пикселей.
При использовании волокон с большим сердечником разрешение может быть улучшено за счет использования щели меньшего размера, чем сердцевина волокна. Это эффективно уменьшит ширину светового луча, поступающего на оптическую скамью спектрометра.
Опция сменной щели доступна на всех спектрометрах серий ULS и NIR.
Фотометрическая чувствительность
Чтобы достичь нужной фотометрической чувствительности спектрометра, например, достаточной для измерения рамановского излучения или спектра флюоресценции, рекомендуются 2048-элементные ПЗС детекторы с цилиндрическими линзами и относительно широкими входными щелями (100 мкм и выше). Решётки с постоянной 300 штрих/мм обладают наименьшей дисперсией и позволяют получить максимальную чувствительность (возможную в спектрометрах этой конфигурации). Термоэлектрическое охлаждение детекторов понижает уровень электронного шума детектора и увеличивает динамический диапазон за счёт увеличения допустимого времени интеграции (60 секунд).
Быстродействие
Высокая скорость проведения измерений оптоволоконными спектрометрами AvaSpec обусловлена отсутствием подвижных элементов в схеме и быстродействием оптического детектора. Лидер по быстродействию среди всей серии – оптоволоконный спектрометр AvaSpec 2048 FT.
Примеры применения
Колориметрия
Спектральная чувствительность человеческого глаза достигает максимума при восприятии излучения с длиной волны 555 нм. Создается впечатление, что зеленый цвет обладает более высокой яркостью по сравнению с другими цветами: исследования показали, что на длине волны 490 нм чувствительность глаза человека составляет всего 20% от чувствительности на уровне 555 нм.
Хоть наш глаз и способен различить около 10 миллионов различных цветов, его чувствительности недостаточно для численного измерения соответствующих длин волн - колориметрии. Для этой цели используется специализированное оборудование – спектрометры.
Компания Avantes разработала целый ряд специальных зондов для промышленных и лабораторных приложений колориметрии. Спектрометры имеют рабочий диапазон, в котором их чувствительность наиболее высока. Например, спектрометры Avantes видимого диапазона охватывают диапазон от 380 нм до 780 нм и имеют спектральное разрешение около 5 нм. Измеряемая область освещается источником белого света. Колориметрия позволяет определять цвет ткани, бумаги; зрелость фруктов, сортов вина.
Измерение спектров флуоресценции
Флуоресцентная спектроскопия (т.н. флуорометрия или спектрофлуориметрия), представляет собой тип электромагнитной спектроскопии, при которой анализируется флуоресценция образца. Пучок света возбуждает электроны в молекулах определенных соединений и заставляет их излучать свет (обычно видимого диапазона). Этот метод используется во многих биологических, биохимических (флуоресцентная диагностика злокачественных новообразований) и экологических приложениях.
Как известно, количество излучаемой энергии флуоресценции составляет всего 3% от количества энергии возбуждающего света. Длинноволновое флуоресцентное излучение имеет более низкую энергию, чем энергия возбуждения, и обычно представляет собой рассеянный свет. Это означает, что энергия распространяется во всех направлениях.
Специально для приложений флуоресцентной спектроскопии компания Avantes разработала спектрометр AvaSpec-ULS2048LTEC. Этот прибор поддерживает долгое время интегрирования, часто превышающее 5 секунд.
Спектроскопия тонкопленочных покрытий
Тонкие пленки используются в современных высокотехнологичных полупроводниковых структурах, микроэлектронике, матричных приемниках и, конечно, в оптике. Развитие знаний о свойствах материалов позволило науке совершить настоящий прорыв. Конечное применение тонкопленочных структур может быть разнообразным, но постоянной остается необходимость точного контроля толщины каждого слоя в процессе эпитаксиального роста. Толщина пленки обычно находится в диапазоне от 1 нм до 100 мкм.
В настоящее время существует три широко используемых метода для количественной оценки толщины поверхности по этой шкале: профилометрия, эллипсометрия и отражательная спектроскопия. В профилометрии (к этому методу также относится атомно-силовая микроскопия) наибольшее разрешение составляет менее нанометра. Кроме того, для измерения требуется продолжительное время. А длительное воздействие высокоинтенсивного излучения, в свою очередь, может привести к повреждению поверхности.
Эллипсометрия и спектроскопия отражения являются бесконтактными оптическими методами, при которых возможно сканирование крупных областей практически без преварительной подготовки образца. Эллипсометрия довольно удобна, но затратна в реализации: требуется несколько поляризаторов и много дополнительных компонентов. В спектроскопии отражения поляризация излучения не влияет на эффективность, а потому на сегодняшний день этот метод является самым технологичным в контроле толщин тонкопленочных структур. Именно этот метод будет рассмотрен в статье, а качественное высокотехнологичное оборудование для всех видов спектроскопии предоставит компания Avantes.
Заключение
Оптическая спектроскопия — это метод измерения интенсивности света в ультрафиолетовом, видимом, ближнем инфракрасном и инфракрасном диапазонах длин волн. Спектроскопические измерения используются во многих различных приложениях, таких как измерение цвета, определение концентрации химических компонентов или анализ электромагнитного излучения. Компания Avantes - ведущий новатор в разработке приборов и систем для волоконно-оптической спектроскопии с более чем 25-летним опытом разработки конфигураций спектрометров для различных задач, удовлетворяющий все необходимые требования заказчика.
© Avantes
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ.
Источник:
https://in-science.ru/library/article_post/vybor-spektrometra-avantes
https://in-science.ru/library/article_post/kolorimetriya-s-avantes
https://in-science.ru/library/article_post/izmerenie-spektrov-fluorescencii-avantes
https://in-science.ru/library/article_post/spektroskopiya-tonkoplenochnyh-pokrytij