Palabras clave: Rejilla holográfica de fase sólida VPH, Espectrofotómetro de transmitancia, Espectrómetro de reflectancia, Camino óptico de Czerny-Turner.
1. Información general
El espectrómetro de fibra óptica se puede clasificar en reflexión y transmisión, según el tipo de rejilla de difracción.Una rejilla de difracción es básicamente un elemento óptico que presenta una gran cantidad de patrones igualmente espaciados, ya sea en la superficie o en el interior.Es un espectrómetro de fibra óptica de componente crítico.Cuando la luz interactúa con estas rejillas, se dispersa en distintos ángulos determinados por diferentes longitudes de onda mediante un fenómeno conocido como difracción de luz.
Arriba: espectrómetro de reflectancia de discriminación (izquierda) y espectrómetro de transmitancia (derecha)
Las rejillas de difracción generalmente se clasifican en dos tipos: rejillas de reflexión y de transmisión.Las rejillas de reflexión se pueden dividir en rejillas de reflexión planas y rejillas cóncavas, mientras que las rejillas de transmisión se pueden subdividir en rejillas de transmisión de tipo ranura y rejillas de transmisión holográficas de fase volumétrica (VPH).Este artículo presenta principalmente el espectrómetro de reflectancia tipo rejilla Plane Blaze y el espectrómetro de transmitancia tipo rejilla VPH.
Arriba: Rejilla de reflexión (izquierda) y Rejilla de transmisión (derecha).
¿Por qué la mayoría de los espectrómetros eligen ahora la dispersión de rejilla en lugar del prisma?Está determinado principalmente por los principios espectrales de la rejilla.El número de líneas por milímetro en la rejilla (densidad de líneas, unidad: líneas/mm) determina las capacidades espectrales de la rejilla.Una mayor densidad de líneas de la rejilla da como resultado una mayor dispersión de la luz de diferentes longitudes de onda después de pasar a través de la rejilla, lo que conduce a una mayor resolución óptica.Generalmente, las densidades de ranura disponibles y de rejilla incluyen 75, 150, 300, 600, 900, 1200, 1800, 2400, 3600, etc., cumpliendo con los requisitos para diversos rangos espectrales y resoluciones.Mientras que la espectroscopia de prismas está limitada por la dispersión de los materiales de vidrio, donde la propiedad dispersiva del vidrio determina la capacidad espectroscópica del prisma.Dado que las propiedades dispersivas de los materiales de vidrio son limitadas, es un desafío cumplir de manera flexible los requisitos de diversas aplicaciones espectrales.Por lo tanto, rara vez se utiliza en espectrómetros de fibra óptica en miniatura comerciales.
Leyenda: Efectos espectrales de diferentes densidades de ranura de rejilla en el diagrama anterior.
La figura muestra la espectrometría de dispersión de luz blanca a través de vidrio y la espectrometría de difracción a través de una rejilla.
La historia del desarrollo de las rejillas comienza con el clásico "Experimento de la doble rendija de Young": en 1801, el físico británico Thomas Young descubrió la interferencia de la luz mediante un experimento de la doble rendija.La luz monocromática que pasaba a través de rendijas dobles exhibía franjas brillantes y oscuras alternadas.El experimento de la doble rendija validó por primera vez que la luz exhibe características similares a las ondas del agua (la naturaleza ondulatoria de la luz), causando sensación en la comunidad física.Posteriormente, varios físicos realizaron experimentos de interferencia de rendijas múltiples y observaron el fenómeno de difracción de la luz a través de rejillas.Posteriormente, el físico francés Fresnel desarrolló la teoría básica de la difracción de rejilla combinando las técnicas matemáticas propuestas por el científico alemán Huygens, basándose en estos resultados.
La figura muestra la interferencia de la doble rendija de Young a la izquierda, con franjas brillantes y oscuras alternadas.Difracción por rendijas múltiples (derecha), distribución de bandas coloreadas en diferentes órdenes.
2. Espectrómetro reflectante
Los espectrómetros de reflexión suelen emplear una trayectoria óptica compuesta por una rejilla de difracción plana y espejos cóncavos, denominada trayectoria óptica de Czerny-Turner.Generalmente consta de una rendija, una rejilla de llamas plana, dos espejos cóncavos y un detector.Esta configuración se caracteriza por su alta resolución, baja luz parásita y alto rendimiento óptico.Después de que la señal luminosa ingresa a través de una rendija estrecha, primero es colimada en un haz paralelo mediante un reflector cóncavo, que luego incide en una rejilla difractiva plana donde las longitudes de onda constituyentes se difractan en distintos ángulos.Finalmente, un reflector cóncavo enfoca la luz difractada en un fotodetector y las señales de diferentes longitudes de onda se registran mediante píxeles en diferentes posiciones en el chip del fotodiodo, generando finalmente un espectro.Normalmente, un espectrómetro de reflexión también incluye algunos filtros supresores de difracción de segundo orden y lentes de columna para mejorar la calidad de los espectros de salida.
La figura muestra un espectrómetro de rejilla de trayectoria óptica CT de tipo cruz.
Cabe mencionar que Czerny y Turner no son los inventores de este sistema óptico, pero se les conmemora por sus destacadas contribuciones al campo de la óptica: el astrónomo austriaco Adalbert Czerny y el científico alemán Rudolf W. Turner.
El camino óptico de Czerny-Turner generalmente se puede clasificar en dos tipos: cruzado y desplegado (tipo M).El camino óptico cruzado/camino óptico tipo M es más compacto.Aquí, la distribución simétrica izquierda-derecha de dos espejos cóncavos en relación con la rejilla plana muestra una compensación mutua de las aberraciones fuera del eje, lo que da como resultado una mayor resolución óptica.El espectrómetro de fibra óptica SpectraCheck® SR75C emplea una trayectoria óptica de tipo M y logra una alta resolución óptica de hasta 0,15 nm en el rango ultravioleta de 180-340 nm.
Arriba: Ruta óptica de tipo cruzado/ruta óptica de tipo expandido (tipo M).
Además de las rejillas contra incendios planas, también existe una rejilla contra incendios cóncava.La rejilla cóncava puede entenderse como una combinación de un espejo cóncavo y una rejilla.Por lo tanto, un espectrómetro de rejilla de llamas cóncava consta únicamente de una rendija, una rejilla de llamas cóncava y un detector, lo que da como resultado una alta estabilidad.Sin embargo, la rejilla cóncava contra incendios estableció requisitos tanto en la dirección como en la distancia de la luz incidente difractada, lo que limita las opciones disponibles.
Arriba: espectrómetro de rejilla cóncava.
Hora de publicación: 26 de diciembre de 2023