Artigo 2: O que é um espectrômetro de fibra óptica e como escolher a fenda e a fibra apropriadas?
Os espectrômetros de fibra óptica representam atualmente a classe predominante de espectrômetros.Esta categoria de espectrômetro permite a transmissão de sinais ópticos através de um cabo de fibra óptica, muitas vezes chamado de jumper de fibra óptica, o que facilita maior flexibilidade e conveniência na análise espectral e na configuração do sistema.Em contraste com os grandes espectrômetros de laboratório convencionais equipados com distâncias focais normalmente variando de 300 mm a 600 mm e empregando grades de varredura, os espectrômetros de fibra óptica empregam grades fixas, eliminando a necessidade de motores rotativos.As distâncias focais desses espectrômetros estão normalmente na faixa de 200 mm, ou podem ser ainda mais curtas, até 30 mm ou 50 mm.Esses instrumentos são altamente compactos e comumente chamados de espectrômetros de fibra óptica em miniatura.
Espectrômetro de Fibra Miniatura
Um espectrômetro de fibra óptica em miniatura é mais popular nas indústrias devido à sua compactação, economia, capacidade de detecção rápida e flexibilidade notável.O espectrômetro de fibra óptica em miniatura normalmente compreende uma fenda, espelho côncavo, grade, detector CCD/CMOS e circuito de acionamento associado.Ele é conectado ao software do computador host (PC) por meio de um cabo USB ou cabo serial para completar a coleta de dados espectrais.
Estrutura do espectrômetro de fibra óptica
O espectrômetro de fibra óptica está equipado com um adaptador de interface de fibra, fornece uma conexão segura para fibra óptica.As interfaces de fibra SMA-905 são usadas na maioria dos espectrômetros de fibra óptica, embora algumas aplicações exijam interfaces de fibra FC/PC ou não padrão, como a interface de fibra multinúcleo cilíndrica de 10 mm de diâmetro.
Interface de fibra SMA905 (preta), interface de fibra FC/PC (amarelo).Há um slot na interface FC/PC para posicionamento.
O sinal óptico, após passar pela fibra óptica, passará primeiro por uma fenda óptica.Os espectrômetros miniatura normalmente usam fendas não ajustáveis, onde a largura da fenda é fixa.Considerando que o espectrômetro de fibra óptica JINSP oferece larguras de fenda padrão de 10μm, 25μm, 50μm, 100μm e 200μm em várias especificações, e personalizações também estão disponíveis de acordo com os requisitos do usuário.
A mudança nas larguras das fendas pode afetar o fluxo de luz e a resolução óptica comumente; esses dois parâmetros exibem uma relação de compensação.Quanto mais estreita for a largura da fenda, maior será a resolução óptica, embora à custa de um fluxo luminoso reduzido.É essencial observar que expandir a fenda para aumentar o fluxo luminoso tem limitações ou é não linear.Da mesma forma, a redução da fenda tem limitações na resolução alcançável.Os usuários devem avaliar e selecionar a fenda adequada de acordo com suas necessidades reais, como dar prioridade ao fluxo luminoso ou à resolução óptica.Nesse sentido, a documentação técnica fornecida para os espectrômetros de fibra óptica JINSP inclui uma tabela abrangente que correlaciona as larguras das fendas com seus níveis de resolução correspondentes, servindo como uma referência valiosa para os usuários.
Uma lacuna estreita
Tabela de comparação de resolução de fenda
Os usuários, ao configurar um sistema espectrômetro, precisam escolher fibras ópticas apropriadas para receber e transmitir sinais para a posição da fenda do espectrômetro.Três parâmetros importantes devem ser considerados ao selecionar fibras ópticas.O primeiro parâmetro é o diâmetro do núcleo, que está disponível em uma variedade de possibilidades, incluindo 5μm, 50μm, 105μm, 200μm, 400μm, 600μm e diâmetros ainda maiores, além de 1mm.É importante notar que aumentar o diâmetro do núcleo pode aumentar a energia recebida na extremidade frontal da fibra óptica.No entanto, a largura da fenda e a altura do detector CCD/CMOS limitam os sinais ópticos que o espectrômetro pode receber.Portanto, aumentar o diâmetro do núcleo não melhora necessariamente a sensibilidade.Os usuários devem escolher o diâmetro do núcleo apropriado com base na configuração real do sistema.Para espectrômetros da B&W Tek que utilizam detectores CMOS lineares em modelos como SR50C e SR75C, com configuração de fenda de 50μm, recomenda-se a utilização de fibra óptica com diâmetro de núcleo de 200μm para recepção de sinal.Para espectrômetros com detectores CCD de área interna em modelos como SR100B e SR100Z, pode ser adequado considerar fibras ópticas mais espessas, como 400μm ou 600μm, para recepção de sinal.
Diferentes diâmetros de fibra óptica
Sinal de fibra óptica acoplado à fenda
O segundo aspecto é a faixa de comprimento de onda operacional e os materiais das fibras ópticas.Os materiais de fibra óptica normalmente incluem fibras High-OH (alta hidroxila), Low-OH (baixa hidroxila) e fibras resistentes a UV.Diferentes materiais têm diferentes características de transmissão de comprimento de onda.As fibras ópticas de alto OH são normalmente usadas na faixa de luz ultravioleta/visível (UV/VIS), enquanto as fibras de baixo OH são usadas na faixa do infravermelho próximo (NIR).Para a faixa ultravioleta, devem ser consideradas fibras especiais resistentes aos UV.Os usuários devem escolher a fibra óptica apropriada com base no comprimento de onda operacional.
O terceiro aspecto é o valor da abertura numérica (NA) das fibras ópticas.Devido aos princípios de emissão das fibras ópticas, a luz emitida pela extremidade da fibra fica confinada dentro de uma determinada faixa de ângulo de divergência, que é caracterizada pelo valor NA.As fibras ópticas multimodo geralmente têm valores NA de 0,1, 0,22, 0,39 e 0,5 como opções comuns.Tomando como exemplo o 0,22 NA mais comum, isso significa que o diâmetro do ponto da fibra após 50 mm é de aproximadamente 22 mm e, após 100 mm, o diâmetro é de 44 mm.Ao projetar um espectrômetro, os fabricantes normalmente consideram combinar o valor NA da fibra óptica o mais próximo possível para garantir a recepção máxima de energia.Além disso, o valor NA da fibra óptica está relacionado ao acoplamento de lentes na extremidade frontal da fibra.O valor NA da lente também deve corresponder o mais próximo possível ao valor NA da fibra para evitar perda de sinal.
O valor NA da fibra óptica determina o ângulo de divergência do feixe óptico
Quando fibras ópticas são usadas em conjunto com lentes ou espelhos côncavos, o valor NA deve ser o mais próximo possível para evitar perda de energia
Os espectrômetros de fibra óptica recebem a luz em ângulos determinados pelo seu valor NA (Abertura Numérica).O sinal incidente será totalmente utilizado se o NA da luz incidente for menor ou igual ao NA daquele espectrômetro.A perda de energia ocorre quando o NA da luz incidente é maior que o NA do espectrômetro.Além da transmissão por fibra óptica, o acoplamento óptico em espaço livre pode ser usado para coletar sinais de luz.Isso envolve a convergência da luz paralela em uma fenda usando lentes.Ao usar caminhos ópticos de espaço livre, é importante escolher lentes apropriadas com um valor NA correspondente ao do espectrômetro, garantindo ao mesmo tempo que a fenda do espectrômetro esteja posicionada no foco da lente para atingir o fluxo luminoso máximo.
Acoplamento óptico de espaço livre
Horário da postagem: 13 de dezembro de 2023