{"id":69187,"date":"2022-02-21T13:05:49","date_gmt":"2022-02-21T05:05:49","guid":{"rendered":"https:\/\/qvarz.com\/ein-hochpraezises-kalibrierverfahren-fuer-spektrometer\/"},"modified":"2022-02-21T13:06:15","modified_gmt":"2022-02-21T05:06:15","slug":"ein-hochpraezises-kalibrierverfahren-fuer-spektrometer","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/qvarz.com\/de\/ein-hochpraezises-kalibrierverfahren-fuer-spektrometer\/","title":{"rendered":"Ein hochpr\u00e4zises Kalibrierverfahren f\u00fcr Spektrometer"},"content":{"rendered":"\n

Die Genauigkeit der Spektrometerkalibrierung ist f\u00fcr viele optische Charakterisierungstechniken wie Raman-Spektroskopie und Interferometrie von entscheidender Bedeutung. 1\u20133<\/sup> Typischerweise wird eine Kalibrierlampe f\u00fcr die Spektrometerkalibrierung verwendet. Kalibrierlampen liefern deutliche, gut definierte Linien bei einer bekannten Wellenl\u00e4nge, und diese werden den Pixelindizes des Detektors zugeordnet. F\u00fcr kleine Spektralbereiche, in denen nur wenige Kalibrierlinien verf\u00fcgbar sind, wird die Kalibrierung jedoch ungenau. Dieser Artikel beschreibt die Prinzipien einer hochpr\u00e4zisen Kalibrierungsmethode, die eine mehrschichtige Fabry-Perot-Struktur verwendet und mehrere scharfe Kalibrierungspeaks \u00fcber den gesamten Spektrometerbereich liefert.<\/p>\n\n

Kalibrierungsmethoden<\/h2>\n\n

In den meisten F\u00e4llen werden Spektrometer mit herk\u00f6mmlichen Kalibrierlampen kalibriert. Obwohl diese Methode einfach zu verwenden ist, hat sie einige Einschr\u00e4nkungen; diese werden unten beschrieben.<\/p>\n\n

Herk\u00f6mmliche Kalibrierlampen<\/h3>\n\n

Eine Kalibrierlampe beleuchtet das Spektrometer, und die Positionen \u2013 dh Pixelindizes ( p<\/em> ) der Kalibrierlinien bekannter Wellenl\u00e4ngen (\u03bb) \u2013 werden gemessen. Eine quadratische oder Polynomanpassung h\u00f6herer Ordnung an die Daten (Wellenl\u00e4ngen [\u03bb] an Positionen [ p<\/em> ]) ergibt die gesuchte Kalibrierungsfunktion \u2013 \u03bb( p<\/em> ). Kalibrierlampen (z. B. Hg\/Ar-Lampen) liefern Emissionslinien bei einer gegebenen Wellenl\u00e4nge. In der Regel gibt es breite Wellenl\u00e4ngenbereiche ohne Peaks, was zu einer eingeschr\u00e4nkten Kalibriergenauigkeit f\u00fchrt. Au\u00dferdem ist ein Fit h\u00f6heren Polynomgrades (N> 3) erfordert eine gewisse Anzahl von Kalibrierlinien, die z. B. bei Spektrometern mit kleinen Spektralbereichen begrenzt sein k\u00f6nnen. Das herk\u00f6mmliche Verfahren ist weniger zuverl\u00e4ssig, insbesondere f\u00fcr Miniaturspektrometer, die stark nichtlineare Lichtstreuungen aufweisen. Das hier beschriebene Kalibrierverfahren l\u00f6st dieses Problem, indem ein zus\u00e4tzliches optisches Element verwendet wird, das einen Satz gleichm\u00e4\u00dfig verteilter Referenzlinien f\u00fcr jeden gegebenen Bereich erzeugt.<\/p>\n\n

Fabry-Perot-Referenzfilter<\/strong><\/p>\n\n

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Abbildung 1 – Aufbau f\u00fcr Interferometrie-Experimente: 1) Grobkalibrierung mit Quecksilberlampe. 2) Kalibrierung mit einem FRF. (Abbildungen mit Genehmigung aus Lit. 4 wiedergegeben.)<\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n
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Das verwendete Schl\u00fcsselelement ist ein Fabry-Perot-Referenzfilter (FRF), der typischerweise aus einer transparenten Abstandsschicht besteht, die von zwei hochreflektierenden Spiegeln abgeschlossen wird ( Abbildung 1<\/em> ). Breitbandige Beleuchtung mit wei\u00dfem Licht ergibt mehrere scharfe Transmissionsmaxima \u00e4hnlicher Intensit\u00e4t, die \u00fcber den gesamten Spektrometerbereich verteilt sind. Die in den Experimenten der Autoren verwendete FRF bestand aus zwei r\u00fcckseitig versilberten Glimmerpl\u00e4ttchen in direktem Kontakt miteinander. Glimmer, das Material der Abstandsschicht, wurde aufgrund seiner hervorragenden Spalteigenschaften und seiner F\u00e4higkeit, gro\u00dfe, homogene Schichten bereitzustellen, verwendet. 4<\/sup><\/p>\n\n\n\n

Wenn die Dicken und Brechungsindizes aller Schichten des FRF genau bekannt sind, kann das Transmissionsspektrum berechnet und den Maximapositionen auf dem Pixelarray Wellenl\u00e4ngen zugeordnet werden. Die genaue Abstandsschichtdicke ist jedoch a priori nicht bekannt und kann sich auch w\u00e4hrend des Kalibriervorgangs \u00e4ndern (z. B. durch W\u00e4rmeausdehnung). Daher ist es unumg\u00e4nglich, w\u00e4hrend des Kalibriervorgangs gleichzeitig die exakte Abstandsschichtdicke zu bestimmen. Ein entwickelter iterativer Algorithmus l\u00f6st dieses Problem, indem zwei Kalibrierlinien einer Kalibrierlampe als Ankerlinien verwendet werden. 4<\/sup><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n\n

Experimenteller Genauigkeitstest<\/strong><\/p>\n\n

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Die Genauigkeit des Kalibrierungsalgorithmus unter Verwendung des Versuchsaufbaus ist in Abbildung 2 dargestellt<\/em> . Zuerst wurden zwei Referenzlinien (RL3: 435 nm und RL7: 697 nm) einer CAL-2000 Hg\/Ar-Kalibrierungslampe ( Ocean Optics<\/strong> , Dunedin, FL) f\u00fcr eine anf\u00e4ngliche lineare Kalibrierung erfasst. Als n\u00e4chstes beleuchtete eine Halogenlampe eine FRF mit einer Abstandsschichtdicke von 15,6 &mgr;m. Das durchgelassene Licht wurde von einer Glasfaser gesammelt und zum Spektrometer geleitet, um wohldefinierte Einkoppelbedingungen zu gew\u00e4hrleisten. Zur Detektion der Spektren wurde ein Miniaturspektrometer USB 2000+ der Firma Ocean Optics ( Tabelle 1<\/em> ) verwendet. Schlie\u00dflich wurde ein Polynom achten Grades an die Daten angepasst (Wellenl\u00e4ngen [\u03bb] an Positionen [ p<\/em> ]). Um die Leistungsf\u00e4higkeit des Algorithmus zu untersuchen, wurde die Genauigkeit des Kalibrierverfahrens mit der Genauigkeit einer konventionellen Kalibrierung verglichen. Dazu alle erkannten Referenzen<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n

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Linien (RL1\u20138) wurden verwendet und ein Polynom dritten Grades wurde an die Daten angepasst (Wellenl\u00e4ngen [\u03bb] an Positionen [ p<\/em> ]). Die entsprechende experimentelle Kalibriergenauigkeit wurde ermittelt, indem die Differenzen zwischen den Wellenl\u00e4ngen der Kalibrierkurven und den exakt bekannten der Quecksilber\/Argon-Linien berechnet wurden:<\/p>\n\n\n\n

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Tabelle 1 \u2013 Spektrometerspezifikation<\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n<\/div>\n\n

Die Kr\u00fcmmung \u03ba = \u03bb calib<\/sup> \u2013\u03bb lin<\/sup> der Kalibrierkurve wurde durch Berechnung der Wellenl\u00e4ngendifferenz zwischen der konventionellen Kalibrierung und der anf\u00e4nglichen linearen Kalibrierung bestimmt.<\/p>\n\n

Ergebnisse<\/h2>\n\n

Die Ergebnisse des Genauigkeitstests sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Kalibriergenauigkeit (oben) gibt wieder, wie gut die Kalibrierfunktion die gemessenen Referenzwellenl\u00e4ngen reproduziert. Die herk\u00f6mmliche Kalibriermethode (Dreiecke) ergibt eine Kalibriergenauigkeit von 0,4 \u00c5, w\u00e4hrend die neue Methode eine Genauigkeit von besser als 0,2 \u00c5 (Kreise) ergibt. Die Kr\u00fcmmung \u03ba (Abbildung 2, Mitte) der Kalibrierkurven spiegelt die Nichtlinearit\u00e4t der Lichtstreuung im Miniaturspektrometer wider. Das Spektrum der FRF und der Kalibrierlampe ist unten in Abbildung 2 dargestellt.<\/p>\n\n

Das neue Kalibrierverfahren f\u00fchrt zu besseren Kalibriergenauigkeiten als das herk\u00f6mmliche Verfahren. Weiterhin k\u00f6nnen Nichtlinearit\u00e4ten aufgrund von Gitterverzerrungen oder Brechungsindexstreuungen im Abstandshaltermaterial detektiert werden. 5<\/sup><\/p>\n\n

Fazit<\/h2>\n\n

Der Vorteil des hier beschriebenen Kalibrierverfahrens ist seine F\u00e4higkeit, stark nichtlineare Miniaturspektrometer f\u00fcr Spektralbereiche zu kalibrieren, in denen nur wenige Referenzlinien zur Verf\u00fcgung stehen. Die zus\u00e4tzlichen Kalibrierungspeaks von der FRF erm\u00f6glichen Anpassungen h\u00f6herer Polynomordnung, was zu h\u00f6heren Kalibrierungsgenauigkeiten f\u00fchrt. Die neue Methode ergab Kalibriergenauigkeiten unter 0,2 \u00c5, was mindestens doppelt so genau ist wie die herk\u00f6mmliche Kalibrierung. Es ist wichtig anzumerken, dass dieses Ergebnis unter Verwendung einer betr\u00e4chtlichen Menge an Kalibrierlinien f\u00fcr die herk\u00f6mmliche Kalibrierung erhalten wurde. In Bereichen, in denen weniger Linien verf\u00fcgbar sind, w\u00fcrde der Unterschied gr\u00f6\u00dfer werden und die Leistungsf\u00e4higkeit der Kalibrierungsmethode offenbaren.<\/p>\n\n

Verweise<\/h2>\n\n
  1. D\u00f6rrer, C. J. opt. Soc. Bin. B<\/em> 1999<\/strong> , 16<\/em> (7), 1160.<\/li>
  2. Brunnen, AW; Vickers, TJ et al. Appl. Spektr<\/em>. 1998<\/strong> , 52<\/em> (3), 462.<\/li>
  3. Hamaguchi, HO Appl. Spektr. Rev<\/em>. 1988<\/strong> , 24<\/em> (1\u20132), 1378.<\/li>
  4. Perret, E.; Balmer, TD et al. Appl. Spektr<\/em>. 2010<\/strong> , 64<\/em> , 1139.<\/li>
  5. Israelachvili, JN; Adams, GE J.Chem. Soc. Weit. Trans. ich<\/em> 1978<\/strong> , 74<\/em> , 9758.<\/li><\/ol>\n

    Dr. Perret ist Wissenschaftler, Paul Scherrer Institut<\/strong> , 5232 Villigen, Schweiz; Tel.: +41 3401394; E-Mail: edithfu@gmail.com. Dr. Balmer ist Werkstoffingenieur, ETH Z\u00fcrich<\/strong> , Z\u00fcrich, Schweiz. Die Autoren danken Ocean Optics<\/strong> (Dunedin, FL) f\u00fcr die Unterst\u00fctzung beim Testen verschiedener Spektrometer. Diese Arbeit wurde von der Schweizerischen Nationalstiftung (Bern, Schweiz) finanziert.<\/em><\/p>\n\n

    Quelle<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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