Как конструируется модульный оптический спектрометр (стр. 1 )

Как конструируется модульный оптический спектрометр

Оглавление

1. Когда модульный спектрометр может быть предпочтительнее серийного?

2. Общее устройство модульного спектрометра. Спектрограф/монохроматор. Детектор. Источники излучения. Отделение для образца. Оптоволоконные кабели и зонды

3. Несколько примеров конструирования спектрометра под определенные задачи

4. Составление технического задания на модульный спектрометр

5. Как выбирается монохроматор/спектрограф и дифракционная решетка?

6. Как выбирается детектор?

7. Характеристики полихроматических источников излучения

Когда модульный спектрометр может быть предпочтительнее серийного?

Одним из направлений деятельности Horiba Scientific (Jobin-Yvon) является производство широкого ассортимента унифицированных спектральных модулей, а также изготовление из этих модулей спектрометров «под ключ», то есть под индивидуальные технические требования заказчика. Соответствующее подразделение компании называется Optical Spectroscopy Division, OSD (Отдел Оптической Спектроскопии).

Модульные спектрометры предназначены для работы с приложениями двух основных категорий.

К первой категории относятся редкие и специфические приложения, требующие особого подхода к конструированию спектрометра. К качестве примера можно привести установку для исследования флуоресценции при возбуждении излучением глубокого ультрафиолетового диапазона (см. рис. 1).

Ко второй категории относятся приложения, специфика которых, напротив, позволяет отказаться от ряда дорогостоящих узлов серийных спектрометров. Модульные спектрометры для таких приложений оптимизируются, в первую очередь, по цене. Основные области их применения, как правило, связаны с контролем изделий и диагностикой оборудования на промышленных/химических производствах, а также с выполнением измерений в «полевых условиях», то есть не в стационарной лаборатории. На рисунке 2 показан достаточно простой спектрометр, состоящий из спектрографа, многоканального детектора и зондов на оптоволокне для проведения удаленных измерений.

Общее устройство модульного спектрометра. Спектрограф/монохроматор. Детектор. Источники излучения. Отделение для образца. Оптоволоконные кабели и зонды

В широкой трактовке, оптический спектрометр – это прибор для спектрального анализа излучения, диапазон которого может варьироваться от ближнего УФ до ближнего ИК (то есть включая всю видимую часть).

Центральным элементом прибора является модуль, в котором происходит разложение анализируемого излучения в спектр. Если на выход устройства подается весь спектр (точнее, значительный его участок), то модуль называется спектрографом, или полихроматором. Если на выход устройства подается лишь узкая, специально выделенная из спектра полоса, то модуль называется монохроматором.

Как правило, монохроматоры снабжены сканирующим приводом, что позволяет получать кусочно-непрерывный спектр путем последовательного «пробегания» прибором всех позиций своего рабочего диапазона. Высокая скорость привода позволяет сканировать весь рабочий диапазон за секунды. Монохроматор может выступать не только в роли анализатора исследуемого излучения, но также являться составной частью источника монохроматического излучения (см. далее).

Спектрографы можно разделить на растровые (imaging) и не-растровые. Растровые спектрографы снабжены специальной корректирующой оптикой, позволяющей подавать на выход устройства не один, а сразу несколько спектров одновременно. Растровые спектрографы, к примеру, используют в тех случаях, когда требуется отслеживать спектральную информацию от нескольких объектов-источников излучения одновременно.

Не-растровые спектрографы, соответственно, могут в каждый момент времени работать только с одним спектром.

Спектрограф и монохроматор могут быть совмещены в едином блоке. На рисунке 4 показана рабочая схема спектрального модуля iHR320, который может работать как в режиме растрового спектрографа, так и в режиме сканирующего монохроматора. На привод модуля можно устанавливать до трех различных дифракционных решеток (см. рис. 5), что позволяет оптимизировать соотношение между шириной рабочего диапазона и спектральным разрешением. Приведенная на рисунке 3 оптическая схема в общем случае относится к т. н. системе Черни-Тернера, на основе которой выполнены все спектрометры производства Horiba Scientific (Jobin-Yvon).

Вторым, но не менее важным элементом оптического спектрометра является детектор (или детекторы). Детекторы делятся на одноканальные и многоканальные. Одноканальный детектор представляет собой единое оптоэлектронное устройство, которое может генерировать только один электрический сигнал. Многоканальные детекторы состоят из тысяч мельчайших оптоэлектронных элементов, которые называют точками или пикселями (pixel). Многоканальные детекторы способны генерировать большое число электрических сигналов одновременно.

Существует достаточно большое количество различных типов многоканальных детекторов: CCD (ПЗС-матрица), iCCD, IGA (InGaAs-матрица), PDA (фотодиодная матрица). Кроме того, каждый тип детектора может иметь несколько вариантов конструкций и охлаждения. Тем не менее, линейка полупроводниковых светочувствительных элементов (см. рис. 6) является основным элементом для каждого из них. Каждый тип многоканального детектора имеет определенные преимущества и недостатки, то есть, в итоге, свою оптимальную область применения. На рисунке 7 показан ССD серии Synapse с термоэлектронным охлаждением. На рисунке 8 два CCD серии Symphony: с термоэлектронным охлаждением и с охлаждением жидким азотом.

Многоканальные детекторы применяют в сочетании со спектрографами: на выходную щель спектрографа подается участок спектра, который единовременно регистрируется линейкой светочувствительных элементов многоканального детектора. На рисунке 9 показан спектрограф MicroHR с установленным многоканальным IGA детектором на ближнюю ИК область.

Чтобы регистрировать спектр при помощи одноканального детектора, его необходимо установить на сканирующий монохроматор. В этом случае для получения спектра в спектрометру требуется по крайней мере от нескольких десятых секунд до секунд для последовательного сканирования заданного спектрального диапазона. В некоторых приложениях сразу несколько одноканальных детекторов могут быть установлены на спектрограф. В этом случае они жестко фиксируются на т. н. круге Роланда; при этом каждый одноканальный детектор регистрирует только одну определенную полосу в спектре, и количество устанавливаемых детекторов диктуется числом спектральных полос, которые необходимо регистрировать для данного приложения.

Существует два основных типа одноканальных детекторов: PMT (фотоэлектронные умножители, ФЭУ) и DSS (твердотельные детекторы). ФЭУ (см. рис. 10) является электровакуумным прибором, в котором фототок усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии. Твердотельный детектор (см. рис. 11) является полупроводниковым оптоэлектронным устройством, по принципу действия: фотодиодом или фоторезистором.

На спектральные модули типа iHR 320/550 или TRIAX 320/550, которые могут работать и как растровые спектрографы, и как монохроматоры, можно устанавливать оба типа детекторов: одноканальный для работы с монохроматором и многоканальный для работы со спектрографом. На спектральные модули типа TRIAX 322/552 можно устанавливать два различных многоканальных детектора – к примеру, каждый под определенный спектральный диапазон.

Кроме модуля анализа исследуемого излучения (анализатора), комплексные спектральные системы могут включать различные вспомогательные блоки, предназначенные для получения, сбора и передачи излучения от исследуемого объекта в анализатор. К таким блокам можно отнести источники света, кюветные отделения, оптоволоконные зонды и многие другие устройства.

Источники света необходимы в том случае, когда исследуемое излучение можно получить лишь подвергнув образец воздействию падающего света. Источники света в оптическом диапазоне могут быть полихроматическими (лампы, см. рис. 12), квази-монохроматическими (лампы, установленные на монохроматор) и условно монохроматическими (лазеры, светодиоды высокого качества типа NanoLED, см. рис. 13).

Исследуемый образец может являться твердым телом, жидкостью, газом. Он может рассеивать, частично поглощать падающее излучение, испускать собственое вторичное излучение. В зависимости от агрегатного состояния и размеров образца, условий эксперимента, характера собираемого от образца излучения возможны различные варианты организации размещения образца и его совмещения с узлами спектрометра.

Классическим решением, приемлемым для большинства жидких и небольших твердых образцов, является применение стандартного отделения для образцов, которое оснащается либо кюветой (для жидких образцов), либо держателем (для твердых образцов). Т-образное отделение для образцов имеет три выхода: два располагаются напротив друг друга и один перпендикулярно – что позволяет собирать как проходящее излучение, так и вторичное и рассеянное под углами 90 и 0 градусов.

Для проведения удаленных измерений применяют различные типы зондов (см. рис. 14), которые соединяются с узлами спектрометра при помощи оптоволоконных кабелей. Для моделирования специальных условий во время проведения измерения образец может быть размещен в специальной ячейке (см. рис. 15)

Несколько примеров конструирования спектрометра под определенные задачи

Фотолюминесценция, катодолюминесценция

На рисунке 16 показана типичная схема спектрофлуориметра, выполненного на базе двух спектральных модулей iHR 320. Один из модулей (на рисунке он слева) работает как монохроматор возбуждения; на его вход установлена ксеноновая лампа, на выход – отделение для размещения образца. При помощи данного модуля из полихроматоческого излучения лампы выделяется квази-монохроматическое излучение необходимой длины волны, действию которого подвергается образец. Испускаемое образцом вторичное излучение поступает во второй модуль iHR 320 (анализатор), который раскладывает его в спектр. На модуле установлены два детектора: одноканальный PMT и многоканальный CCD. Соответственно, регистрировать спектр фотолюминесценции можно и в режиме «монохроматор-PMT», и в режиме «спектрограф-CCD».

На рисунке 17 показана одна из возможных схем спектрометра для исследования низко-температурной фотолюминесценции. Спектрометр (см. рис. 18) выполнен на базе спектрального модуля iHR 550; в качестве источника излучния применяется лазер. Для регистрации применяются два многоканальных детектора, один из которых охлаждается жидким азотом.

Рамановская спектроскопия

На базе спектральных модулей iHR 320 / 550 могут быть собраны модульные Рамановские спектрометры. Схема одного из возможных вариантов приведена на рисунке 19. Образец вынесен из спектрометра, то есть проводится удаленное измерение. Изучение внешнего лазера подводится к образцу при помощи оптоволоконного кабеля. Второй оптоволоконный кабель отводит рассеянное излучение к спектрометру. Оба оптоволоконных кабеля (со стороны образца) крепятся к зонду. Рассеянное излучение сначала поступает на оптический фильтр, который отсекает Релеевскую компоненту. Затем спектрограф раскладывает излучение в спектр, который регистрируется многоканальным CCD детектором.

На рисунке он 20 показан подобный модульный Рамановский спектрометр, оснащенный микроскопом.

Адсорбционная спектроскопия

Достаточно удобно применять спектральные модули для конструирования спектрометров для абсорбционной спектроскопии. На рисунке 21 показана схема многоцелевого спектрометра, позволяющего получать спектры абсорбции в УФ и видимом диапазоне в проходящем и отраженном свете. Прибор состоит спектрографа/монохроматора, отделения для размещения образца, двух ламп, одного одноканального и одного многоканального детектора. Как правило, в качестве источника излучения применяют ксеноновые, дейтериево-ксеноновые или дейтериево-вольфрамовые лампы мощностью 75 Вт. В качестве многоканального детектора можно применять PDA (детектор с фотодиодной матрицей).

Эмиссионная спектроскопия/Исследование плазмы

Исследование процессов, протекающих в плазме, требует особого подхода к конструированию спектрометра. Применяемый спектрограф должен быть растровым, поскольку одновременно необходимо контролировать сразу несколько источников излучения – различных зон плазмы (см. рис. 22). В качестве многоканального детектора, как правило, применяют iCCD (интенсифицированные ПЗС) детекторы. Они позволяют проводить измерения с высоким временным разрешением; с другой стороны, интенсифицированные ПЗС оптимально подходят для измерения даже очень слабых сигналов.

Составление технического задания на модульный спектрометр

Технические характеристики модульного спектрометра не являются «простой суммой» характеристик его отдельных узлов. Все узлы прибора должны правильно сочетаться друг с другом, чтобы на выходе давать требуемые спектральные характеристики. Таким образом, конструирование модульного спектрометра начинается с составления списка требований к прибору, то есть с технического задания.

В частности, в начале необходимо определиться со следующими характеристиками (минимально необходимыми и желаемыми): спектральным диапазоном, спектральным разрешением, чувствительностью, экспрессностью. Кроме того, на комплектацию спектрометра критически влияет и тип исследуемого образца: его агрегатное состояние, размер и структура (для твердого образца) – а также необходимость моделирования специальных условий для образца, или же необходимость ин-лайн диагностики, контроля какого-либо процесса и т. д.

Спектральный диапазон прибора определяется выбором: типа спектрального модуля (спектрографа/монохроматора), дифракционных решеток для спектрального модуля и детектора (или детекторов). Как правило, рабочий диапазон спектральных модулей достаточно широк, и поэтому их выбор не является лимитирующим в плане диапазона. Иногда некоторые ограничения на спектральный диапазон могут оказывать дополнительные устройства (к примеру, через линзы конфокального микроскопа не проникает свет в ультрафиолетовом диапазоне).

Диапазон эффективной работы прибора в основном определяется подбором дифракционных решеток и детекторов: их оптимальные рабочие диапазоны должны совпадать или, как минимум, значительно перекрываться. Поскольку спектральные модули Horiba Scientific позволяют устанавливать до трех дифракционных решеток и до двух различных детекторов, то задача подбора данных компонент может иметь множество возможных решений.

Спектральное разрешение зависит, прежде всего, от выбора типа спектрального модуля и дифракционных решеток: оно тем больше, чем больше фокальное расстояние спектрального модуля и выше плотность штрихов дифракционной решетки. При работе с монохроматором разрешение увеличивается при сужении спектральной щели. Однако, улушить разрешение таким образом можно только до определенного максимального значения, которое, собственно говоря, и приводится в документации на спектральный модуль (с указанием типа дифракционной решетки и длины волны, на которой производится измерение).

Следует отметить, что любой способ повышения разрешения приводит в той или иной мере к снижению светосилы и, как следствие, чувствительности прибора (если зафиксировать все прочие характеристики). Кроме того, применение дифракционных решеток с большей плотностью штрихов приводит к закономерному снижению рабочего спектрального диапазона.

В ряде приложений бывает крайне важно обеспечить высокую чувствительность спектрометра в определенном спектральном диапазоне. Основным подходом к повышению чувствительности является применение специализированных детекторов.

Как выбирается монохроматор/спектрограф и дифракционная решетка?

Одной из наиболее важных характеристик спектрального модуля с установленной дифракционной решеткой является дисперсия, измеряемая в нм/мм. Дисперсия показывает какой ширины спектральный диапазон (в нанометрах) приходится на 1 миллиметр физической длины (на выходной щели). Чем ниже дисперсия, то есть чем сильнее «растягивается» спектр, тем выше разрешение.

При работе с монохроматором разрешение также зависит от ширины щели, и выражается такой характеристикой как ширина полосы пропускания (bandpass). К примеру, для TRIAX 320 с решеткой 1200 штр./мм линейная дисперсия D = 2.64 нм/мм. Если проводить измерения со входной щелью шириной 100 мкм, то ширина полосы пропускания BP = 2.64 x 0.1 = 0.264 нм. Однако, ширину щели имеет смысл уменьшать (для повышения разрешения) лишь до определенного предела – т. н. предела дифракции, который составляет 10-20 мкм. Измерения полосы пропускания со щелью 10 мкм дается в спецификации монохроматора как разрешение R = 0.06 нм. Эта величина измеряется экспериментально – ее затруднительно рассчитать, поскольку зависимость между шириной полосы пропускания и шириной щели на пределе дифракции отличается от линейной.

При работе со спектрографом и многоканальным детектором смысл термина «ширина полосы пропускания» несколько иной. В данном случае им обозначают весь спектральный диапазон, который физически (по размеру) укладывается на линейку светочувствительных элементов детектора. Другими словами, это своего рода «окно» спектра, который единовременно регистрируется мультиканальным детектором (для перехода к другому такому «окну» в процессе получения спектра положение дифракционной решетки автоматически изменяется приводом спектрального модуля).

Для TRIAX 550 с дифракционной решеткой 1200 штр./мм и CCD 2048х512 пикселей (длина пикселя составляет 13.5 мкм) дисперсия составляет D = 1.55 нм/мм, а ширина линейки детектора 2048 x 0.0135 = 27.648 мм. Таким образом, на линейку, то есть по всей ее ширине, приходится спектральный диапазон BP = 1.55 x 27.648 = 42.85 нм. Эта величина и является в данном случае шириной полосы пропускания. Что касается разрешения, то его значение будет зависеть от того, сколько пикселей считать эквивалентом щели монохроматора. Как правило, принимается значение в 3 пикселя. Таким образом, разрешение R = 42.85 / 2048 x 3 = 0.06 нм.

В таблице 1 приведены основные типы спектральных модулей Horiba Scientific (Jobin-Yvon), в таблице 2 – оптимальные области применения модулей.

Таблица 1.

Модель	Фокальное расстояние, мм	Растр (imaging)	Апертура	Спектральный диапазон	Разрешение*	Дисперсия **
H-10	100	-	f/3.5	185 нм - 3.2 мкм	1 нм	8 нм/мм
CP140	140	Есть	f/2.0	190 нм - 2.5 мкм	-	-
VS140	140	-	f/2.4	190 нм - 1100 нм	1.4 нм	16.7 нм/мм
Micro HR (ручн./авт.)	140	Есть	f/3.88	150 нм - 15 мкм	0.3 нм	-
TRIAX 180/190	190	Есть	f/3.9	185 нм - 40 мкм	0.3 нм	3.6 нм/мм
Gemini-180 (двойной)	180	-	f/3.8	185 нм - 40 мкм	0.15 нм	1.77 нм/мм
H-20	200	-	f/4.2	185 нм - 3.2 мкм	0.5 нм	4 нм/мм
iHR320	320	Есть	f/4.1	150 нм - 40 мкм	0.06 нм	2.35 нм/мм
iHR550	550	Есть	f/6.4	150 нм - 40 мкм	0.025 нм	1.55 нм/мм
FHR 640	640	-	f/5.4	185 нм - 40 мкм	0.016 нм	1.2 нм/мм
1000M	1000	-	f/8.0	185 нм - 40 мкм	0.008 нм	0.8 нм/мм
FHR 1000	1000	-	f/9.0	185 нм - 40 мкм	0.008 нм	0.8 нм/мм
1250M	1250	-	f/9.0	185 нм - 40 мкм	0.006 нм	0.65 нм/мм

* С применением дифракционной решетки 1200 штр./мм, ширина спектральной щели 10 мкм