Palavras-chave: Rede holográfica de fase sólida VPH, Espectrofotômetro de transmitância, Espectrômetro de refletância, Caminho óptico de Czerny-Turner.
1. Visão Geral
O espectrômetro de fibra óptica pode ser classificado em reflexão e transmissão, de acordo com o tipo de rede de difração.Uma rede de difração é basicamente um elemento óptico, apresentando um grande número de padrões igualmente espaçados na superfície ou internamente.É um espectrômetro de fibra óptica de componente crítico.Quando a luz interage com essas grades, dispersa-se em ângulos distintos determinados por diferentes comprimentos de onda através de um fenômeno conhecido como difração de luz.
Acima: espectrômetro de refletância de discriminação (esquerda) e espectrômetro de transmitância (direita)
As grades de difração são geralmente classificadas em dois tipos: grades de reflexão e grades de transmissão.As grades de reflexão podem ser divididas em grades de reflexão plana e grades côncavas, enquanto as grades de transmissão podem ser subdivididas em grades de transmissão do tipo ranhura e grades de transmissão holográficas de fase de volume (VPH).Este artigo apresenta principalmente o espectrômetro de refletância do tipo rede plana e o espectrômetro de transmitância do tipo rede VPH.
Acima: Grade de reflexão (esquerda) e grade de transmissão (direita).
Por que a maioria dos espectrômetros agora escolhe a dispersão em rede em vez do prisma?É determinado principalmente pelos princípios espectrais da rede.O número de linhas por milímetro na grade (densidade da linha, unidade: linhas/mm) determina as capacidades espectrais da grade.Uma densidade de linha de grade mais alta resulta em maior dispersão de luz de diferentes comprimentos de onda após passar pela grade, levando a uma resolução óptica mais alta.Geralmente, as densidades de ranhura disponíveis e de grade incluem 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600, etc., atendendo aos requisitos para várias faixas e resoluções espectrais.Enquanto a espectroscopia de prisma é limitada pela dispersão de materiais de vidro, onde a propriedade dispersiva do vidro determina a capacidade espectroscópica do prisma.Como as propriedades dispersivas dos materiais de vidro são limitadas, é um desafio atender com flexibilidade aos requisitos de diversas aplicações espectrais.Portanto, raramente é usado em espectrômetros comerciais de fibra óptica em miniatura.
Legenda: Efeitos espectrais de diferentes densidades de ranhuras de grade no diagrama acima.
A figura mostra espectrometria de dispersão de luz branca através de vidro e espectrometria de difração através de uma grade.
A história do desenvolvimento das grades começa com o clássico "experimento de fenda dupla de Young": em 1801, o físico britânico Thomas Young descobriu a interferência da luz usando um experimento de fenda dupla.A luz monocromática passando por fendas duplas exibia franjas claras e escuras alternadas.O experimento da fenda dupla primeiro validou que a luz exibe características semelhantes às ondas da água (a natureza ondulatória da luz), causando sensação na comunidade física.Posteriormente, vários físicos conduziram experimentos de interferência de múltiplas fendas e observaram o fenômeno de difração da luz através de grades.Mais tarde, o físico francês Fresnel desenvolveu a teoria básica da difração de grades combinando as técnicas matemáticas apresentadas pelo cientista alemão Huygens, com base nestes resultados.
A figura mostra a interferência de fenda dupla de Young à esquerda, com alternância de franjas claras e escuras.Difração multifenda (direita), distribuição de faixas coloridas em diferentes ordens.
2. Espectrômetro reflexivo
Os espectrômetros de reflexão normalmente empregam um caminho óptico composto por uma rede de difração plana e espelhos côncavos, conhecido como caminho óptico de Czerny-Turner.Geralmente consiste em uma fenda, uma grade plana, dois espelhos côncavos e um detector.Esta configuração é caracterizada por alta resolução, baixa luz difusa e alto rendimento óptico.Depois que o sinal de luz entra através de uma fenda estreita, ele é primeiro colimado em um feixe paralelo por um refletor côncavo, que então atinge uma rede de difração plana onde os comprimentos de onda constituintes são difratados em ângulos distintos.Finalmente, um refletor côncavo foca a luz difratada em um fotodetector e os sinais de diferentes comprimentos de onda são registrados por pixels em diferentes posições no chip do fotodiodo, gerando finalmente um espectro.Normalmente, um espectrômetro de reflexão também inclui alguns filtros supressores de difração de segunda ordem e lentes de coluna para melhorar a qualidade dos espectros de saída.
A figura mostra um espectrômetro de grade de caminho óptico CT tipo cruzado.
Deve-se mencionar que Czerny e Turner não são os inventores deste sistema óptico, mas são homenageados por suas notáveis contribuições ao campo da óptica – o astrônomo austríaco Adalbert Czerny e o cientista alemão Rudolf W. Turner.
O caminho óptico de Czerny-Turner geralmente pode ser classificado em dois tipos: cruzado e desdobrado (tipo M).O caminho óptico cruzado/caminho óptico tipo M é mais compacto.Aqui, a distribuição simétrica esquerda-direita de dois espelhos côncavos em relação à grade plana exibe compensação mútua de aberrações fora do eixo, resultando em maior resolução óptica.O espectrômetro de fibra óptica SpectraCheck® SR75C emprega um caminho óptico tipo M, alcança alta resolução óptica de até 0,15 nm na faixa ultravioleta de 180-340 nm.
Acima: Caminho óptico de tipo cruzado/caminho óptico de tipo expandido (tipo M).
Além das grades planas, há também uma grade côncava.A grade côncava pode ser entendida como uma combinação de um espelho côncavo e uma grade.Portanto, um espectrômetro de grade de chama côncava consiste apenas em uma fenda, uma grade de chama côncava e um detector, resultando em alta estabilidade.No entanto, a grade côncava define os requisitos tanto para a direção quanto para a distância da luz difratada incidente, limitando as opções disponíveis.
Acima: espectrômetro de grade côncava.
Horário da postagem: 26 de dezembro de 2023