En højpræcisionskalibreringsmetode til spektrometre
Spektrometerkalibreringsnøjagtighed er af afgørende betydning for mange optiske karakteriseringsteknikker, såsom Raman-spektroskopi og interferometri. 1–3 Typisk bruges en kalibreringslampe til spektrometerkalibrering. Kalibreringslamper giver tydelige, veldefinerede linjer ved en kendt bølgelængde, og disse er tildelt detektorens pixelindeks. For små spektralområder, hvor kun et lille antal kalibreringslinjer er tilgængelige, bliver kalibreringen imidlertid unøjagtig. Denne artikel beskriver principperne for en højpræcisionskalibreringsmetode, der anvender en Fabry-Perot flerlagsstruktur, der giver flere skarpe kalibreringstoppe over hele spektrometerområdet.
Kalibreringsmetoder
I de fleste tilfælde kalibreres spektrometre ved hjælp af konventionelle kalibreringslamper. Selvom denne metode er enkel at bruge, har den nogle begrænsninger; disse er beskrevet nedenfor.
Konventionelle kalibreringslamper
En kalibreringslampe oplyser spektrometeret, og positionerne – dvs. pixelindekser ( p ) af kalibreringslinjerne med kendte bølgelængder (λ) – måles. Et kvadratisk eller højere ordens polynomiumtilpasning til dataene (bølgelængder [λ] ved positioner [ p ]) giver den søgte kalibreringsfunktion — λ( p ). Kalibreringslamper (f.eks. Hg/Ar-lamper) giver emissionslinjer ved en given bølgelængde. Som regel er der brede bølgelængdeområder uden toppe, hvilket fører til begrænset kalibreringsnøjagtighed. Ydermere, et anfald af højere polynomisk grad (N> 3) kræver et vist antal kalibreringslinjer, som kan være begrænset i f.eks. spektrometre med små spektralområder. Den konventionelle metode er mindre pålidelig, især for miniaturespektrometre, som udviser stærkt ikke-lineære lysspredninger. Kalibreringsmetoden beskrevet her løser dette problem ved at bruge et ekstra optisk element, der genererer et sæt jævnt fordelte referencelinjer for et givet område.
Fabry-Perot referencefilter
Det anvendte nøgleelement er et Fabry-Perot referencefilter (FRF), som typisk er lavet af et gennemsigtigt afstandslag, der afsluttes af to stærkt reflekterende spejle ( figur 1 ). Bredbåndsbelysning med hvidt lys giver flere skarpe transmissionsmaksima af lignende intensitet fordelt over hele spektrometerområdet. Den FRF, der blev brugt i forfatternes eksperimenter, bestod af to bagsideforsølvede glimmerplader i direkte kontakt med hinanden. Glimmer, som er afstandslagsmaterialet, blev brugt på grund af dets fremragende spaltningsegenskaber og evne til at give store, homogene plader. 4
Hvis tykkelserne og brydningsindekserne af alle lag af FRF er præcist kendte, kan transmissionsspektret beregnes, og bølgelængder kan tildeles til de maksimale positioner på pixel-arrayet. Den nøjagtige afstandslagstykkelse er dog a priori ikke kendt og kan også ændre sig under kalibreringsproceduren (f.eks. på grund af termisk ekspansion). Derfor er det uundgåeligt samtidig at bestemme den nøjagtige afstandslagstykkelse under kalibreringsproceduren. En iterativ algoritme, der er blevet udviklet, løser dette problem ved at bruge to kalibreringslinjer i en kalibreringslampe som ankerliner. 4
Eksperimentel nøjagtighedstest
Nøjagtigheden af kalibreringsalgoritmen ved hjælp af den eksperimentelle opsætning er illustreret i figur 2 . Først blev to referencelinjer (RL3: 435 nm og RL7: 697 nm) af en CAL-2000 Hg/Ar kalibreringslampe ( Ocean Optics , Dunedin, FL) detekteret til en indledende lineær kalibrering. Dernæst oplyste en halogenlampe en FRF med en afstandslagstykkelse på 15,6 μm. Det transmitterede lys blev opsamlet af en glasfiber og ført til spektrometeret for at sikre veldefinerede indkoblingsbetingelser. Et USB 2000+ miniaturespektrometer fra Ocean Optics ( tabel 1 ) blev brugt til detektion af spektrene. Til sidst blev et ottendegrads polynomium tilpasset til dataene (bølgelængder [λ] ved positioner [ p ]). For at undersøge algoritmens ydeevne blev kalibreringsmetodens nøjagtighed sammenlignet med nøjagtigheden af en konventionel kalibrering. Til dette, alle detekterede reference
linjer (RL1-8) blev brugt, og et tredjegrads polynomium blev tilpasset til dataene (bølgelængder [λ] ved positioner [ p ]). Den tilsvarende eksperimentelle kalibreringsnøjagtighed blev bestemt ved at beregne forskellene mellem bølgelængderne af kalibreringskurverne og de nøjagtige kendte af kviksølv/argon-linjerne:
Krumningen, κ = λ calib –λlin , af kalibreringskurven blev bestemt ved at beregne bølgelængdeforskellen mellem den konventionelle kalibrering og den indledende lineære kalibrering.
Resultater
Resultaterne af nøjagtighedstesten er plottet i figur 2. Kalibreringsnøjagtigheden (øverst) afspejler, hvor godt kalibreringsfunktionen gengiver de målte referencebølgelængder. Den konventionelle kalibreringsmetode (trekanter) resulterer i en kalibreringsnøjagtighed på 0,4 Å, hvorimod den nye metode resulterer i en nøjagtighed på bedre end 0,2 Å (cirkler). Krumningen κ (figur 2, midten) af kalibreringskurverne afspejler ikke-lineariteten af lysspredningen i miniaturespektrometeret. FRF og kalibreringslampespektret er vist i bunden af figur 2.
Den nye kalibreringsmetode fører til bedre kalibreringsnøjagtigheder end den konventionelle metode. Yderligere kan ulineariteter på grund af gitterforvrængninger eller brydningsindeksdispersioner i afstandsmaterialet detekteres. 5
Konklusion
Fordelen ved den her beskrevne kalibreringsmetode er dens evne til at kalibrere stærkt ikke-lineære miniaturespektrometre til spektralområder, hvor kun få referencelinjer er tilgængelige. De ekstra kalibreringstoppe fra FRF muliggør tilpasninger i højere polynomiumorden, hvilket resulterer i højere kalibreringsnøjagtigheder. Den nye metode afslørede kalibreringsnøjagtigheder under 0,2 Å, hvilket er mindst dobbelt så nøjagtigt som den konventionelle kalibrering. Det er vigtigt at bemærke, at dette resultat blev opnået ved at bruge en betydelig mængde kalibreringslinjer til den konventionelle kalibrering. I områder, hvor færre linjer er tilgængelige, ville forskellen blive mere dybtgående og afsløre styrken af kalibreringsmetoden.
Referencer
- Dorrer, C. J. Opt. Soc. Er. B 1999 , 16 (7), 1160.
- Fountain, AW; Vickers, TJ et al. Appl. Spectrosc. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguchi, HO Appl. Spectrosc. Rev. 1988 , 24 (1-2), 1378.
- Perret, E.; Balmer, TD et al. Appl. Spectrosc. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. Soc. Langt. Trans. jeg 1978 , 74 , 9758.
Dr. Perret er en videnskabsmand, Paul Scherrer Institut , 5232 Villigen, Schweiz; tlf.: +41 3401394; e-mail: edithfu@gmail.com. Dr. Balmer er materialeingeniør, ETH Zürich , Zürich, Schweiz. Forfatterne takker Ocean Optics (Dunedin, FL) for deres støtte til at teste forskellige spektrometre. Dette arbejde blev finansieret af Swiss National Foundation (Bern, Schweiz).
Recent Comments