Artículo 2: ¿Qué es un espectrómetro de fibra óptica y cómo se elige la rendija y la fibra adecuadas?
Los espectrómetros de fibra óptica representan actualmente la clase predominante de espectrómetros.Esta categoría de espectrómetro permite la transmisión de señales ópticas a través de un cable de fibra óptica, a menudo llamado puente de fibra óptica, lo que facilita una mayor flexibilidad y conveniencia en el análisis espectral y la configuración del sistema.A diferencia de los grandes espectrómetros de laboratorio convencionales equipados con distancias focales que suelen oscilar entre 300 mm y 600 mm y que emplean rejillas de escaneo, los espectrómetros de fibra óptica emplean rejillas fijas, lo que elimina la necesidad de motores giratorios.Las distancias focales de estos espectrómetros suelen estar en el rango de 200 mm, o pueden ser incluso más cortas, de 30 mm o 50 mm.Estos instrumentos son de tamaño muy compacto y comúnmente se les conoce como espectrómetros de fibra óptica en miniatura.
Espectrómetro de fibra en miniatura
Un espectrómetro de fibra óptica en miniatura es más popular en las industrias debido a su tamaño compacto, rentabilidad, capacidades de detección rápida y flexibilidad notable.El espectrómetro de fibra óptica en miniatura normalmente comprende una hendidura, un espejo cóncavo, una rejilla, un detector CCD/CMOS y un circuito de accionamiento asociado.Se conecta al software de la computadora host (PC) mediante un cable USB o un cable serie para completar la recopilación de datos espectrales.
Estructura del espectrómetro de fibra óptica.
El espectrómetro de fibra óptica está equipado con un adaptador de interfaz de fibra que proporciona una conexión segura para fibra óptica.Las interfaces de fibra SMA-905 se utilizan en la mayoría de los espectrómetros de fibra óptica, aunque algunas aplicaciones requieren FC/PC o interfaces de fibra no estándar, como la interfaz de fibra cilíndrica de múltiples núcleos de 10 mm de diámetro.
Interfaz de fibra SMA905 (negra), interfaz de fibra FC/PC (amarilla).En la interfaz FC/PC hay una ranura para posicionamiento.
La señal óptica, tras atravesar la fibra óptica, pasará primero por una rendija óptica.Los espectrómetros en miniatura suelen utilizar rendijas no ajustables, cuyo ancho es fijo.Mientras que el espectrómetro de fibra óptica JINSP ofrece anchos de hendidura estándar de 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm y 200 μm en varias especificaciones, y también hay personalizaciones disponibles según los requisitos del usuario.
El cambio en el ancho de las rendijas puede afectar el flujo de luz y la resolución óptica; estos dos parámetros exhiben una relación de compensación.Cuanto más estrecha sea la anchura de la rendija, mayor será la resolución óptica, aunque a expensas de un flujo de luz reducido.Es esencial tener en cuenta que expandir la rendija para aumentar el flujo de luz tiene limitaciones o no es lineal.De manera similar, reducir la rendija tiene limitaciones en la resolución alcanzable.Los usuarios deben evaluar y seleccionar la rendija adecuada de acuerdo con sus requisitos reales, como dar prioridad al flujo luminoso o la resolución óptica.En este sentido, la documentación técnica proporcionada para los espectrómetros de fibra óptica JINSP incluye una tabla completa que correlaciona los anchos de las rendijas con sus correspondientes niveles de resolución, lo que sirve como una valiosa referencia para los usuarios.
Una brecha estrecha
Tabla comparativa de resolución de hendidura
Los usuarios, al configurar un sistema de espectrómetro, deben elegir las fibras ópticas apropiadas para recibir y transmitir señales a la posición de la rendija del espectrómetro.Es necesario considerar tres parámetros importantes al seleccionar fibras ópticas.El primer parámetro es el diámetro del núcleo, que está disponible en una variedad de posibilidades que incluyen 5 μm, 50 μm, 105 μm, 200 μm, 400 μm, 600 μm e incluso diámetros mayores, superiores a 1 mm.Es importante señalar que aumentar el diámetro del núcleo puede mejorar la energía recibida en el extremo frontal de la fibra óptica.Sin embargo, el ancho de la rendija y la altura del detector CCD/CMOS limitan las señales ópticas que puede recibir el espectrómetro.Por tanto, aumentar el diámetro del núcleo no necesariamente mejora la sensibilidad.Los usuarios deben elegir el diámetro del núcleo adecuado según la configuración real del sistema.Para los espectrómetros de B&W Tek que utilizan detectores CMOS lineales en modelos como SR50C y SR75C, con una configuración de hendidura de 50 μm, se recomienda utilizar una fibra óptica de núcleo de 200 μm de diámetro para la recepción de la señal.Para espectrómetros con detectores CCD de área interna en modelos como SR100B y SR100Z, puede ser adecuado considerar fibras ópticas más gruesas, como 400 μm o 600 μm, para la recepción de la señal.
Diferentes diámetros de fibra óptica.
Señal de fibra óptica acoplada a la rendija.
El segundo aspecto es el rango de longitud de onda operativa y los materiales de las fibras ópticas.Los materiales de fibra óptica suelen incluir fibras con alto contenido de OH (alto contenido de hidroxilo), fibras con bajo contenido de OH (bajo contenido de hidroxilo) y resistentes a los rayos UV.Diferentes materiales tienen diferentes características de transmisión de longitud de onda.Las fibras ópticas con alto contenido de OH se utilizan normalmente en el rango de luz ultravioleta/visible (UV/VIS), mientras que las fibras con bajo contenido de OH se utilizan en el rango del infrarrojo cercano (NIR).Para el rango ultravioleta se deben considerar fibras especiales resistentes a los rayos UV.Los usuarios deben elegir la fibra óptica adecuada en función de su longitud de onda operativa.
El tercer aspecto es el valor de apertura numérica (NA) de las fibras ópticas.Debido a los principios de emisión de las fibras ópticas, la luz emitida desde el extremo de la fibra está confinada dentro de un cierto rango de ángulo de divergencia, que se caracteriza por el valor NA.Las fibras ópticas multimodo generalmente tienen valores de NA de 0,1, 0,22, 0,39 y 0,5 como opciones comunes.Tomando como ejemplo el 0,22 NA más común, significa que el diámetro del punto de la fibra después de 50 mm es de aproximadamente 22 mm, y después de 100 mm, el diámetro es de 44 mm.Al diseñar un espectrómetro, los fabricantes suelen considerar hacer coincidir el valor NA de la fibra óptica lo más posible para garantizar la máxima recepción de energía.Además, el valor NA de la fibra óptica está relacionado con el acoplamiento de lentes en el extremo frontal de la fibra.El valor NA de la lente también debe coincidir lo más posible con el valor NA de la fibra para evitar la pérdida de señal.
El valor NA de la fibra óptica determina el ángulo de divergencia del haz óptico.
Cuando se utilizan fibras ópticas junto con lentes o espejos cóncavos, el valor de NA debe coincidir lo más posible para evitar la pérdida de energía.
Los espectrómetros de fibra óptica reciben la luz en ángulos determinados por su valor NA (apertura numérica).La señal incidente se utilizará por completo si la NA de la luz incidente es menor o igual que la NA de ese espectrómetro.La pérdida de energía ocurre cuando la NA de la luz incidente es mayor que la NA del espectrómetro.Además de la transmisión por fibra óptica, se puede utilizar el acoplamiento óptico en espacio libre para recopilar señales luminosas.Se trata de hacer converger luz paralela en una rendija mediante lentes.Cuando se utilizan trayectorias ópticas de espacio libre, es importante elegir lentes apropiadas con un valor NA que coincida con el del espectrómetro, al mismo tiempo que se garantiza que la rendija del espectrómetro esté colocada en el foco de la lente para lograr el máximo flujo de luz.
Acoplamiento óptico en espacio libre
Hora de publicación: 13-dic-2023