Монохроматор

Монохроматор выбранного - это оптическое которое передает механически выбираемая узкая полоса длин волн света устройство , или другого излучения, из более широкого диапазона длин волн, доступных на входе. Название от греческого моно -сингла « Chroma 'Color» и Latin -ator ', обозначающим агента ».

Использование

Нейтронный монохроматор для дифрактометра порошка эхидны в Опале в Австралии. Он сделан с помощью плит [113] ориентированных кристаллов Германия, которые склонны друг к другу, чтобы сфокусироваться вниз по отраженной лучей.

Устройство, которое может производить монохроматический свет, имеет много применений в науке и в оптике, потому что многие оптические характеристики материала зависят от длины волны. Хотя существует ряд полезных способов выбора узкой полосы длин волн (которые в видимом диапазоне воспринимаются как чистый цвет), не так много других способов легко выбрать любую полосу длины волны из широкого диапазона. См . Ниже обсуждение некоторых из использования монохроматоров.

При жесткой рентгеновской и нейтронной оптике кристаллические монохроматоры используются для определения условий волн на инструментах.

Методы

Монохроматор может использовать либо явление оптической дисперсии в призме , либо дифракции, используя дифракционную решетку , для пространственно отделить цвета света. Обычно он имеет механизм для направления выбранного цвета на прорезь выхода. Обычно решетка или призма используются в рефлексивном режиме. Отражающая призма создается путем создания правой треугольной призмы (как правило, половины равносторонней призмы) с зеркальным зеркалом с одной стороны. Свет попадает через гипотенузу и отражается через него, преломляя дважды на одной и той же поверхности. Общая преломление и общая дисперсия такая же, как и в режиме равенства в режиме передачи.

Коллимация

Дисперсия или дифракция контролируется только в том случае, если свет коллимируется , то есть, если все лучи света параллельны или практически так. Источник, такой как солнце, которое очень далеко, обеспечивает коллимированный свет. Ньютон использовал солнечный свет в своих знаменитых экспериментах . Однако в практическом монохроматоре источник света находится рядом, и оптическая система в монохроматоре преобразует расходящийся свет источника в коллимированный свет. Хотя некоторые монохроматорные конструкции используют фокусирующие снопки, которые не нуждаются в отдельных коллиматорах, большинство используют коллимирующие зеркала. Отражающая оптика предпочтительнее, потому что они не вводят собственные дисперсионные эффекты.

Геометрический дизайн призмы или монохроматора решетки

Существуют конфигурации решетки/призмы, которые предлагают различные компромиссы между простотой и спектральной точностью.

Czerny -Turner (обсуждается ниже)
Патч
Орел
Уодсворт
Эберт-Фасти
Накапливаться
фунт

Litttrow Resting Monochromator. Это похоже на Czerny -Turner, но использует общее зеркало коллиматора/перефокусирования.

В общем дизайне Czerny -Turner, ^{[ 1 ]} Источник освещения широкого диапазона ( а ) предназначен для входной щели ( б ). Количество энергии света, доступная для использования, зависит от интенсивности источника в пространстве, определяемом щелью (ширина × высота) и угла принятия оптической системы. SLIT помещается в эффективном фокусе изогнутого зеркала ( коллиматор , C ), так что свет от щели, отражаемого от зеркала, коллимируется (сфокусирован на бесконечности). Коллимированный свет дифрагируется от решетки ( D ), а затем собирается другим зеркалом ( E ), которое переориентирует свет, теперь рассеивается, на выходе ( F ). В монохроматоре призмы рефлексивная призма литтров занимает место дифракционной решетки, и в этом случае свет преломляется призмой.

На выходе, цветы света разбросаны (в видимых, это показывает цвета радуги). Поскольку каждый цвет прибывает в отдельную точку в плоскости выхода, существует ряд изображений входной щели, сфокусированной на плоскости. Поскольку входная щель ограничена по ширине, части близлежащих изображений перекрываются. Свет, оставляющий разреза ( F ), содержит все изображение входной щели выбранного цвета плюс части входных щелей изображений близлежащих цветов. Вращение диспергирующего элемента приводит к тому, что полоса цветов перемещается по сравнению с щелевой щелью, так что желаемое изображение входной щели сосредоточено на выходе. Диапазон цветов, выходящих из выхода, является функцией ширины прорезей. Ширина входа и выхода щели корректируется вместе.

Берег

Идеальная передача такого монохроматора - треугольная форма. Пик треугольника находится на выбранной номинальной длине волны, так что изображение выбранной длины волны полностью заполняет щель. Интенсивность близлежащих цветов затем линейно уменьшается по обе стороны от этого пика, пока не будет достигнуто какое -то отсечное значение, где интенсивность останавливается уменьшается. Это называется уровнем бездомного освещения . Уровень отсечения обычно составляет около тысяки 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, как FWHM). Типичная спектральная полоса пропускания может быть одним нанометром; Однако различные значения могут быть выбраны для удовлетворения потребностей в анализе. Более узкая полоса пропускания действительно улучшает разрешение, но также уменьшает отношение сигнал / шум. ^{[ 2 ]}

Дисперсия

Дисперсия монохроматора характеризуется как ширина полосы цветов на единицу ширины щели, например, 1 нм спектра на мм ширины щели. Этот фактор постоянна для решетки, но варьируется в зависимости от длины волны для призмы. Если монохроматор Scanning Prism используется в режиме постоянной полосы пропускания, ширина щель должна измениться при изменении длины волны. Дисперсия зависит от фокусного расстояния, порядка решетки и разрешения решетки.

Диапазон длины волны

Диапазон регулировки монохроматора может охватывать видимый спектр и некоторую часть обоих или любого из близлежащих ультрафиолетовых (УФ) и инфракрасных (IR) спектра, хотя монохроматоры строятся для большого разнообразия оптических хребтов и для многих проектов.

Двойные монохроматоры

Обычно два монохроматора подключены последовательно, с их механическими системами, работающими в тандеме, так что они оба выбирают один и тот же цвет. Это расположение предназначено не для улучшения узости спектра, а для снижения уровня отсечения. Двойной монохроматор может иметь отсечение около миллиона от пикового значения, продукт двух отсечений отдельных секций. Интенсивность света других цветов в луче выхода называется уровнем бродяги и является наиболее важной спецификацией монохроматора для многих применений. Достижение низкого распутного света является большой частью искусства создания практического монохроматора.

Дифракционные ракушки и яростные схемы

Монохроматоры решетки рассеивают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение, как правило, с использованием реплики реплики, которые производятся из главной решетки. Главная решетка состоит из твердой, оптически плоской поверхности, которая имеет большое количество параллельных и близко расположенных канавков. Конструкция главной решетки является длинным, дорогостоящим процессом, потому что канавки должны быть одинакового размера, точно параллельны и одинаково расположены по длине решетки (3–10 см). Решение для ультрафиолетовой и видимой области, как правило, имеет 300–2000 канавок/мм, однако наиболее распространены 1200–1400 канавок/мм. Для инфракрасной области, решеток обычно имеет 10–200 канавок/мм. ^{[ 3 ]} Когда используется дифракционная решетка , необходимо соблюдать осторожность при проектировании широкополосных монохроматоров, поскольку дифракционная картина имеет перекрывающиеся порядки. Иногда широкополосные предварительные фильтры вставляются в оптический путь, чтобы ограничить ширину дифракционных порядков, чтобы они не перекрывались. Иногда это делается с использованием призмы в качестве одного из монохроматоров двойного монохроматора.

Первоначальные дифракционные режимы с высоким разрешением были управляются. Строительство высококачественных правящих двигателей было большим мероприятием (а также чрезвычайно трудным, за последние десятилетия), и хорошие выборы были очень дорогими. Наклон треугольной канавки в управляемой решетке обычно регулируется для повышения яркости определенного порядка дифракции. Это называется пылающей решеткой. Управляемые снопки имеют недостатки, которые дают слабые «призрачные» дифракционные приказы, которые могут повысить уровень бездомного света монохроматора. Более поздняя фотолитографическая техника позволяет создавать решатели из голографического интерференционного паттерна. Голографические сборы имеют синусоидальные канавки и поэтому не такие яркие, но имеют более низкие уровни рассеянного освещения, чем сверкающие сборы. Почти все сборы, фактически используемые в монохроматорах, являются тщательно сделаны копии управляемых или голографических главных решений.

Призма

Призмы имеют более высокую дисперсию в УФ -регионе. Призму монохроматоры предпочитают в некоторых инструментах, которые в основном предназначены для работы в дальнем УФ -регионе. Однако большинство монохроматоров используют решеток. У некоторых монохроматоров есть несколько решений, которые можно выбрать для использования в разных спектральных областях. Двойной монохроматор, изготовленный путем размещения призмы и решетчатого монохроматора в последовательнох, обычно не нуждается в дополнительных полосовых фильтрах для изоляции одного порядка решетки.

Фокусное расстояние

Узость полосы цветов, которую может генерировать монохроматор, связана с фокусным расстоянием коллиматоров монохроматоров. Использование более длительной оптической системы фокусного расстояния также, к сожалению, уменьшает количество света, которое может быть принято из источника. Монохроматоры очень высокого разрешения могут иметь фокусное расстояние 2 метра. Создание таких монохроматоров требует исключительного внимания к механической и тепловой стабильности. Для многих применений монохроматор в фокусном расстоянии около 0,4 метра считается превосходным разрешением. Многие монохроматоры имеют фокусное расстояние менее 0,1 метра.

Высота разреза

Наиболее распространенная оптическая система использует сферические коллиматоры и, следовательно, содержит оптические аберрации, которые кричат поле, где фокусируются изображения щелей, так что прорезь иногда изогнуты, а не просто прямые, чтобы приблизительно кривизны изображения. Это позволяет использовать более высокие щели, собирая больше света, при этом достигая высокого спектрального разрешения. Некоторые конструкции используют другой подход и используют тороидальные коллимирующие зеркала, чтобы исправить кривизну, позволяя более высоким прямым прорезям, не жертвуя разрешением.

Длина волны против энергии

Монохроматоры часто откалибруются в единицах длины волны. Единое вращение решетки дает синусоидальное изменение длины волны, которое приблизительно линейно для небольших углов решетки, поэтому такой инструмент легко построить. Многие из основных физических явлений, изучаемых, хотя бы линейны по энергии, и, поскольку длина волны и энергии фотона имеют взаимную связь, спектральные закономерности, которые являются простыми и предсказуемыми при построении как функция энергии, искажаются при нанесении на график как функция длины волны. Некоторые монохроматоры откалиброваны в единицах взаимных сантиметров или в некоторых других энергетических единицах, но шкала может не быть линейной.

Динамический диапазон

Спектрофотометр , построенный с высоким качеством двойного монохроматора, может привести к свету достаточной чистоты и интенсивности, что инструмент может измерить узкую полосу оптического ослабления около миллиона раз (6 AU, абсорбционные единицы).

Приложения

Монохроматоры используются во многих оптических измерительных приборах и в других приложениях, где требуется настраиваемый монохроматический свет. Иногда монохроматический свет направляется в образце, и измеряется отраженный или переданный свет. Иногда белый свет направляется в образце, и монохроматор используется для анализа отраженного или передаваемого света. Два монохроматора используются во многих флуорометрах ; Один монохроматор используется для выбора длины волны возбуждения, а для анализа испускаемого света используется второй монохроматор.

Автоматический спектрометр сканирования включает механизм для изменения длины волны, выбранной монохроматором, и для записи полученных изменений в измеренной величине в зависимости от длины волны.

Если устройство изображения заменяет щель выхода, результатом является основная конфигурация спектрографа . Эта конфигурация позволяет одновременно анализировать интенсивности широкой полосы цветов. Фотографическая пленка или массив фотоодекторов могут быть использованы, например, для сбора света. Такой инструмент может записывать спектральную функцию без механического сканирования, хотя, например, могут быть компромиссы с точки зрения разрешения или чувствительности.

Спектрофотометр поглощения измеряет поглощение света образцом в зависимости от длины волны. Иногда результат выражается как процентная передача, а иногда он выражается как обратный логарифм передачи. Закон о пиве-ламберте связывает поглощение света с концентрацией светопоглощающего материала, длины оптического пути и внутреннего свойства материала, называемого молярной поглощающей способностью. В соответствии с этой отношением снижение интенсивности является экспоненциальным по концентрации и длине пути. Уменьшение является линейным в этих количествах, когда используется обратный логарифм передачи. Старой номенклатурой для этого значения была оптическая плотность (OD), номенклатура тока - это абсорбционные единицы (AU). Один AU - это десятикратное снижение интенсивности света. Шесть АС - это на миллион раз.

Спектрофотометры абсорбции часто содержат монохроматор для подачи света в образец. Некоторые спектрофотометры поглощения имеют возможности автоматического спектрального анализа.

Спектрофотометры абсорбции имеют много повседневного использования в химии, биохимии и биологии. Например, они используются для измерения концентрации или изменения концентрации многих веществ, которые поглощают свет. Критические характеристики многих биологических материалов, например, многие ферменты измеряются путем начала химической реакции, которая создает изменение цвета, которое зависит от наличия или активности изучаемого материала. ^{[ 4 ]} Оптические термометры были созданы путем калибровки изменения поглощения материала против температуры. Есть много других примеров.

Спектрофотометры используются для измерения зеркальной отражательной способности зеркал и диффузной отражательной способности цветных объектов. Они используются для характеристики производительности солнцезащитных очков, лазерных защитных очков и других оптических фильтров . Есть много других примеров.

В ультрафиолетовом ультрафиолеторе, видимых и близких IR, спектрофотометры поглощения и отражательной способности обычно освещают образец монохроматическим светом. В соответствующих ИК -инструментах монохроматор обычно используется для анализа света, исходящего из образца.

Монохроматоры также используются в оптических инструментах, которые измеряют другие явления, помимо простого поглощения или отражения, везде, где цвет света является значительной переменной. круговые спектрометры дихроизма Например, содержат монохроматор.

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

Монохроматический свет допускает измерение квантовой эффективности (QE) устройства визуализации (например, CCD или CMOS Imager). Свет из выхода щели проходит либо через диффузоры, либо интегрирующую сферу на устройстве изображения, в то время как калиброванный детектор одновременно измеряет свет. Координация изображений, калиброванного детектора и монохроматора позволяет вычислять носители (электроны или отверстия), сгенерированные для фотона заданной длины волны, QE.

Смотрите также

атомного поглощения Спектрометры используют свет из полых катодных ламп , которые излучают свет, генерируемый атомами определенного элемента, например, железо или свинца или кальция. Доступные цвета фиксируются, но очень монохроматические и отлично подходят для измерения концентрации определенных элементов в образце. Эти инструменты ведут себя так, как будто они содержали очень высококачественный монохроматор, но их использование ограничено анализом элементов, для которых они оснащены.
Основная техника ИК -измерения, преобразование Фурье IR или FTIR, не использует монохроматор. Вместо этого измерение выполняется во временной области, используя метод автокорреляции поля .
Полихроматор
Сверхбыстрый монохроматор - монохроматор, который компенсирует задержки длины пути, которые растянут ультрахозные импульсы
Wien Filter - метод для производства «монохроматических» электронных лучей, где все электроны имеют почти одинаковую энергию

Ссылки

^ Czerny, m .; Тернер, AF (1930). «О астигматизме в зеркальных спектрометрах». Журнал физики . 61 (11–12): 792–797. Bibcode : 1930zphy ... 61..792c . Doi : 10.1007/bf01340206 . S2CID 126259668 .
^ Keppy, NK и Allen M., Thermo Fisher Scientific, Madison, WI, USA, 2008
^ Skoog, Douglas (2007). Принципы инструментального анализа . Белмонт, Калифорния: Брукс/Коул. С. 182–183 . ISBN 978-0-495-01201-6 .
^ Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Молекулярная клеточная биология. 4 -е издание. Нью -Йорк: WH Freeman; 2000. Раздел 3.5, очищение, обнаружение и характеристика белков. Доступно по адресу: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21589/

Внешние ссылки

СМИ, связанные с монохроматорами в Wikimedia Commons
Обсуждает дизайн монохроматора в отличных деталях
Палмер, Кристофер (2020). Справочник по дифракционной решетке (8 -е изд.). MKS Newport.
Двойной склад-Z-конфигуратор монохроматор. Патент США RE26053E -содержит расширенное обсуждение дизайнерского обоснования этого ультрафиолетового монохроматора UV-Vis-NIR

[1] Czerny, m .; Тернер, AF (1930). «О астигматизме в зеркальных спектрометрах». Журнал физики . 61 (11–12): 792–797. Bibcode : 1930zphy ... 61..792c . Doi : 10.1007/bf01340206 . S2CID 126259668 .

[2] Keppy, NK и Allen M., Thermo Fisher Scientific, Madison, WI, USA, 2008

[3] Skoog, Douglas (2007). Принципы инструментального анализа . Белмонт, Калифорния: Брукс/Коул. С. 182–183 . ISBN 978-0-495-01201-6 .

[4] Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Молекулярная клеточная биология. 4 -е издание. Нью -Йорк: WH Freeman; 2000. Раздел 3.5, очищение, обнаружение и характеристика белков. Доступно по адресу: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk21589/

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]