Từ khóa: Cách tử ba chiều pha rắn VPH, Máy quang phổ truyền qua, Máy quang phổ phản xạ, Đường quang Czerny-Turner.
1. Khái quát chung
Máy quang phổ sợi quang có thể được phân loại thành phản xạ và truyền qua, tùy theo loại cách tử nhiễu xạ.Cách tử nhiễu xạ về cơ bản là một phần tử quang học, có số lượng lớn các mẫu cách đều nhau trên bề mặt hoặc bên trong.Nó là một máy quang phổ sợi quang thành phần quan trọng.Khi ánh sáng tương tác với các cách tử này, nó sẽ phân tán thành các góc riêng biệt được xác định bởi các bước sóng khác nhau thông qua một hiện tượng gọi là nhiễu xạ ánh sáng.
Trên: Máy quang phổ phản xạ phân biệt (trái) và máy quang phổ truyền qua (phải)
Cách tử nhiễu xạ thường được phân thành hai loại: cách tử phản xạ và cách tử truyền.Cách tử phản xạ có thể được chia thành cách tử phản xạ phẳng và cách tử lõm, trong khi cách tử truyền có thể được chia thành cách tử truyền kiểu rãnh và cách tử truyền hình ba chiều pha thể tích (VPH).Bài viết này chủ yếu giới thiệu về máy quang phổ phản xạ kiểu cách tử ngọn lửa phẳng và máy quang phổ phản xạ truyền qua kiểu cách tử VPH.
Trên: Cách tử phản xạ (trái) và Cách tử truyền (phải).
Tại sao hầu hết các máy quang phổ hiện nay đều chọn cách tử tán sắc thay vì lăng kính?Nó chủ yếu được xác định bởi các nguyên lý quang phổ của cách tử.Số vạch trên milimet trên cách tử (mật độ vạch, đơn vị: vạch/mm) xác định khả năng quang phổ của cách tử.Mật độ đường cách tử cao hơn dẫn đến sự phân tán ánh sáng có bước sóng khác nhau lớn hơn sau khi đi qua cách tử, dẫn đến độ phân giải quang học cao hơn.Nói chung, mật độ rãnh có sẵn và cách tử bao gồm 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600, v.v., đáp ứng các yêu cầu về phạm vi và độ phân giải phổ khác nhau.Trong khi đó, quang phổ lăng kính bị hạn chế bởi sự phân tán của vật liệu thủy tinh, trong đó tính chất phân tán của thủy tinh quyết định khả năng quang phổ của lăng kính.Do đặc tính phân tán của vật liệu thủy tinh còn hạn chế nên việc đáp ứng linh hoạt các yêu cầu của các ứng dụng quang phổ khác nhau là một thách thức.Do đó, nó hiếm khi được sử dụng trong máy quang phổ sợi quang thu nhỏ thương mại.
Chú thích: Hiệu ứng quang phổ của mật độ rãnh cách tử khác nhau trong sơ đồ trên.
Hình vẽ thể hiện phép đo phổ tán sắc của ánh sáng trắng qua thủy tinh và phép đo phổ nhiễu xạ qua cách tử.
Lịch sử phát triển của cách tử, bắt đầu từ thí nghiệm kinh điển "Thí nghiệm hai khe Young": Năm 1801, nhà vật lý người Anh Thomas Young đã phát hiện ra sự giao thoa của ánh sáng bằng thí nghiệm hai khe.Ánh sáng đơn sắc truyền qua hai khe có các vân sáng và vân tối xen kẽ nhau.Thí nghiệm khe đôi lần đầu tiên xác nhận rằng ánh sáng thể hiện các đặc tính tương tự như sóng nước (bản chất sóng của ánh sáng), gây ra sự chú ý trong cộng đồng vật lý.Sau đó, một số nhà vật lý đã tiến hành các thí nghiệm giao thoa nhiều khe và quan sát hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng qua các cách tử.Sau đó, nhà vật lý người Pháp Fresnel đã phát triển lý thuyết cơ bản về nhiễu xạ cách tử bằng cách kết hợp các kỹ thuật toán học do nhà khoa học người Đức Huygens đưa ra, dựa trên những kết quả này.
Hình vẽ cho thấy giao thoa hai khe Young ở bên trái, với các vân sáng và vân tối xen kẽ.Nhiễu xạ đa khe (phải), phân bố các dải màu theo thứ tự khác nhau.
2. Máy quang phổ phản xạ
Máy quang phổ phản xạ thường sử dụng đường quang bao gồm cách tử nhiễu xạ phẳng và gương lõm, được gọi là đường quang Czerny-Turner.Nó thường bao gồm một khe, một cách tử phẳng, hai gương lõm và một máy dò.Cấu hình này được đặc trưng bởi độ phân giải cao, ánh sáng lạc thấp và thông lượng quang học cao.Sau khi tín hiệu ánh sáng đi qua một khe hẹp, đầu tiên nó được chuẩn trực thành chùm tia song song bởi một gương phản xạ lõm, sau đó đập vào một cách tử nhiễu xạ phẳng trong đó các bước sóng cấu thành bị nhiễu xạ ở các góc khác nhau.Cuối cùng, một gương phản xạ lõm tập trung ánh sáng nhiễu xạ vào bộ tách sóng quang và tín hiệu có bước sóng khác nhau được ghi lại bằng pixel ở các vị trí khác nhau trên chip photodiode, cuối cùng tạo ra quang phổ.Thông thường, máy quang phổ phản xạ cũng bao gồm một số bộ lọc khử nhiễu xạ bậc hai và thấu kính cột để cải thiện chất lượng của quang phổ đầu ra.
Hình vẽ cho thấy máy quang phổ cách tử đường dẫn quang CT loại chéo.
Cần phải nhắc lại rằng Czerny và Turner không phải là người phát minh ra hệ thống quang học này nhưng được tưởng nhớ vì những đóng góp xuất sắc của họ cho lĩnh vực quang học—nhà thiên văn học người Áo Adalbert Czerny và nhà khoa học người Đức Rudolf W. Turner.
Đường dẫn quang Czerny-Turner thường có thể được phân thành hai loại: cắt chéo và mở rộng (loại M).Đường dẫn quang chéo/đường dẫn quang loại M nhỏ gọn hơn.Ở đây, sự phân bố đối xứng trái-phải của hai gương lõm so với cách tử phẳng, thể hiện sự bù quang sai ngoài trục lẫn nhau, dẫn đến độ phân giải quang học cao hơn.Máy quang phổ sợi quang SpectraCheck® SR75C sử dụng đường quang loại M, đạt độ phân giải quang học cao lên tới 0,15nm trong dải tử ngoại 180-340 nm.
Trên: Đường dẫn quang loại chéo/đường dẫn quang loại mở rộng (loại M).
Ngoài ra, ngoài lưới lửa phẳng còn có lưới lửa lõm.Cách tử ngọn lửa lõm có thể được hiểu là sự kết hợp giữa gương lõm và cách tử.Do đó, máy quang phổ cách tử ngọn lửa lõm chỉ bao gồm một khe, cách tử ngọn lửa lõm và máy dò nên có độ ổn định cao.Tuy nhiên, cách tử ngọn lửa lõm đặt ra yêu cầu về cả hướng và khoảng cách của ánh sáng nhiễu xạ tới, hạn chế các lựa chọn có sẵn.
Trên: Máy quang phổ cách tử lõm.
Thời gian đăng: 26-12-2023