Μια μέθοδος βαθμονόμησης υψηλής ακρίβειας για φασματόμετρα
Η ακρίβεια βαθμονόμησης του φασματομέτρου είναι κρίσιμης σημασίας για πολλές τεχνικές οπτικού χαρακτηρισμού, όπως η φασματοσκοπία Raman και η συμβολομετρία. 1–3 Συνήθως, χρησιμοποιείται μια λυχνία βαθμονόμησης για τη βαθμονόμηση του φασματόμετρου. Οι λαμπτήρες βαθμονόμησης παρέχουν ευδιάκριτες, καλά καθορισμένες γραμμές σε ένα γνωστό μήκος κύματος, και αυτές αντιστοιχίζονται στους δείκτες pixel του ανιχνευτή. Ωστόσο, για μικρές φασματικές περιοχές, όπου είναι διαθέσιμος μόνο ένας μικρός αριθμός γραμμών βαθμονόμησης, η βαθμονόμηση καθίσταται ανακριβής. Αυτό το άρθρο περιγράφει τις αρχές μιας μεθόδου βαθμονόμησης υψηλής ακρίβειας που χρησιμοποιεί μια πολυστρωματική δομή Fabry-Perot, παρέχοντας πολλαπλές αιχμηρές κορυφές βαθμονόμησης σε όλο το εύρος του φασματόμετρου.
Μέθοδοι βαθμονόμησης
Στις περισσότερες περιπτώσεις, τα φασματόμετρα βαθμονομούνται χρησιμοποιώντας συμβατικούς λαμπτήρες βαθμονόμησης. Αν και αυτή η μέθοδος είναι απλή στη χρήση, έχει ορισμένους περιορισμούς. αυτά περιγράφονται παρακάτω.
Συμβατικοί λαμπτήρες βαθμονόμησης
Μια λυχνία βαθμονόμησης φωτίζει το φασματόμετρο και μετρώνται οι θέσεις—δηλ. δείκτες pixel ( p ) των γραμμών βαθμονόμησης γνωστών μηκών κύματος (λ)—. Μια τετραγωνική ή υψηλότερης τάξης πολυώνυμο προσαρμογή στα δεδομένα (μήκη κύματος [λ] στις θέσεις [ p ]) αποδίδει τη συνάρτηση βαθμονόμησης που αναζητείται — λ( p ). Οι λαμπτήρες βαθμονόμησης (π.χ. λαμπτήρες Hg/Ar) παρέχουν γραμμές εκπομπής σε δεδομένο μήκος κύματος. Κατά κανόνα, υπάρχουν περιοχές μεγάλου μήκους κύματος χωρίς κορυφές, οι οποίες οδηγούν σε περιορισμένη ακρίβεια βαθμονόμησης. Επιπλέον, μια προσαρμογή ανώτερου πολυωνυμικού βαθμού (Ν> 3) απαιτεί έναν ορισμένο αριθμό γραμμών βαθμονόμησης, οι οποίες μπορεί να είναι περιορισμένες, π.χ. σε φασματόμετρα με μικρές φασματικές περιοχές. Η συμβατική μέθοδος είναι λιγότερο αξιόπιστη, ιδιαίτερα για μικροσκοπικά φασματόμετρα, τα οποία εμφανίζουν έντονα μη γραμμικές διασπορές φωτός. Η μέθοδος βαθμονόμησης που περιγράφεται εδώ επιλύει αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας ένα πρόσθετο οπτικό στοιχείο που δημιουργεί ένα σύνολο γραμμών αναφοράς ομοιόμορφα κατανεμημένες για οποιαδήποτε δεδομένη περιοχή.
Φίλτρο αναφοράς Fabry-Pero
Το βασικό στοιχείο που χρησιμοποιείται είναι ένα φίλτρο αναφοράς Fabry-Perot (FRF), το οποίο είναι συνήθως κατασκευασμένο από ένα διαφανές στρώμα διαχωρισμού που τερματίζεται από δύο καθρέφτες υψηλής ανάκλασης ( Εικόνα 1 ). Ο ευρυζωνικός φωτισμός με λευκό φως αποδίδει πολλαπλά ευκρινή μέγιστα μετάδοσης παρόμοιας έντασης κατανεμημένα σε όλο το εύρος του φασματόμετρου. Το FRF που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα των συγγραφέων αποτελούνταν από δύο φύλλα μαρμαρυγίας με οπίσθιο ασήμι σε άμεση επαφή μεταξύ τους. Το Mica, το οποίο είναι το υλικό του διαχωριστικού στρώματος, χρησιμοποιήθηκε λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων διάσπασής του και της ικανότητάς του να παρέχει μεγάλα, ομοιογενή φύλλα. 4
Εάν τα πάχη και οι δείκτες διάθλασης όλων των στρωμάτων του FRF είναι επακριβώς γνωστά, το φάσμα μετάδοσης μπορεί να υπολογιστεί και τα μήκη κύματος μπορούν να αντιστοιχιστούν στις μέγιστες θέσεις στη διάταξη εικονοστοιχείων. Ωστόσο, το ακριβές πάχος του στρώματος διαχωριστή είναι, a priori, άγνωστο και μπορεί επίσης να αλλάξει κατά τη διαδικασία βαθμονόμησης (π.χ. λόγω θερμικής διαστολής). Επομένως, είναι αναπόφευκτο να προσδιοριστεί ταυτόχρονα το ακριβές πάχος του στρώματος διαχωριστή κατά τη διαδικασία βαθμονόμησης. Ένας επαναληπτικός αλγόριθμος που έχει αναπτυχθεί επιλύει αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας δύο γραμμές βαθμονόμησης μιας λυχνίας βαθμονόμησης ως γραμμές αγκύρωσης. 4
Πειραματική δοκιμή ακρίβειας
Η ακρίβεια του αλγορίθμου βαθμονόμησης χρησιμοποιώντας την πειραματική ρύθμιση απεικονίζεται στο Σχήμα 2 . Αρχικά, ανιχνεύθηκαν δύο γραμμές αναφοράς (RL3: 435 nm και RL7: 697 nm) μιας λυχνίας βαθμονόμησης CAL-2000 Hg/Ar ( Ocean Optics , Dunedin, FL) για μια αρχική γραμμική βαθμονόμηση. Στη συνέχεια, μια λάμπα αλογόνου φώτισε ένα FRF με πάχος στρώματος διαχωρισμού 15,6 μm. Το εκπεμπόμενο φως συλλέχθηκε από μια ίνα γυαλιού και οδηγήθηκε στο φασματόμετρο προκειμένου να διασφαλιστούν καλά καθορισμένες συνθήκες σύζευξης. Ένα μικροσκοπικό φασματόμετρο USB 2000+ από την Ocean Optics ( Πίνακας 1 ) χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση των φασμάτων. Τέλος, ένα πολυώνυμο όγδοου βαθμού προσαρμόστηκε στα δεδομένα (μήκη κύματος [λ] στις θέσεις [ p ]). Προκειμένου να διερευνηθεί η απόδοση του αλγορίθμου, η ακρίβεια της μεθόδου βαθμονόμησης συγκρίθηκε με την ακρίβεια μιας συμβατικής βαθμονόμησης. Για αυτό, όλες οι ανιχνευμένες αναφορές
χρησιμοποιήθηκαν γραμμές (RL1-8) και ένα πολυώνυμο τρίτου βαθμού προσαρμόστηκε στα δεδομένα (μήκη κύματος [λ] στις θέσεις [ p ]). Η αντίστοιχη πειραματική ακρίβεια βαθμονόμησης προσδιορίστηκε με τον υπολογισμό των διαφορών μεταξύ των μηκών κύματος των καμπυλών βαθμονόμησης και των ακριβών γνωστών για τις γραμμές υδραργύρου/αργού:
Η καμπυλότητα, κ = λ calib –λ lin , της καμπύλης βαθμονόμησης προσδιορίστηκε με τον υπολογισμό της διαφοράς μήκους κύματος μεταξύ της συμβατικής βαθμονόμησης και της αρχικής γραμμικής βαθμονόμησης.
Αποτελέσματα
Τα αποτελέσματα της δοκιμής ακρίβειας απεικονίζονται στο σχήμα 2. Η ακρίβεια βαθμονόμησης (επάνω) αντικατοπτρίζει πόσο καλά η συνάρτηση βαθμονόμησης αναπαράγει τα μετρούμενα μήκη κύματος αναφοράς. Η συμβατική μέθοδος βαθμονόμησης (τρίγωνα) έχει ως αποτέλεσμα ακρίβεια βαθμονόμησης 0,4 Å, ενώ η νέα μέθοδος οδηγεί σε ακρίβεια μεγαλύτερη από 0,2 Α (κύκλοι). Η καμπυλότητα κ (Εικόνα 2, κέντρο) των καμπυλών βαθμονόμησης αντανακλά τη μη γραμμικότητα της διασποράς φωτός στο μικροσκοπικό φασματόμετρο. Το φάσμα FRF και λυχνίας βαθμονόμησης φαίνονται στο κάτω μέρος του Σχήματος 2.
Η νέα μέθοδος βαθμονόμησης οδηγεί σε καλύτερες ακρίβειες βαθμονόμησης από τη συμβατική μέθοδο. Επιπλέον, μπορούν να ανιχνευθούν μη γραμμικότητες λόγω παραμορφώσεων εσχάρας ή διασπορών δείκτη διάθλασης στο υλικό διαχωριστή. 5
συμπέρασμα
Το πλεονέκτημα της μεθόδου βαθμονόμησης που περιγράφεται εδώ είναι η ικανότητά της να βαθμονομεί έντονα μη γραμμικά μικροσκοπικά φασματόμετρα για φασματικές περιοχές στις οποίες είναι διαθέσιμες μόνο λίγες γραμμές αναφοράς. Οι πρόσθετες κορυφές βαθμονόμησης από το FRF επιτρέπουν προσαρμογές υψηλότερης πολυωνυμικής τάξης, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα υψηλότερες ακρίβειες βαθμονόμησης. Η νέα μέθοδος αποκάλυψε ακρίβεια βαθμονόμησης κάτω από 0,2 Å, η οποία είναι τουλάχιστον δύο φορές ακριβέστερη από τη συμβατική βαθμονόμηση. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτό το αποτέλεσμα προέκυψε χρησιμοποιώντας μια σημαντική ποσότητα γραμμών βαθμονόμησης για τη συμβατική βαθμονόμηση. Σε περιοχές όπου είναι διαθέσιμες λιγότερες γραμμές, η διαφορά θα γινόταν πιο βαθιά, αποκαλύπτοντας τη δύναμη της μεθόδου βαθμονόμησης.
βιβλιογραφικές αναφορές
- Ντόρερ, Γ. J. Opt. Soc. Είμαι. σι 1999 , 16 (7), 1160.
- Συντριβάνι, AW; Vickers, TJ et al. Appl. Spectrosc. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguchi, HO Appl. Spectrosc. Στροφή μηχανής. 1988 , 24 (1–2), 1378.
- Perret, Ε.; Balmer, TD et al. Appl. Spectrosc. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. Soc. Μακριά. Μεταφρ. Εγώ 1978 , 74 , 9758.
Ο Δρ. Perret είναι επιστήμονας, Ινστιτούτο Paul Scherrer , 5232 Villigen, Ελβετία. τηλ.: +41 3401394; e-mail: edithfu@gmail.com. Ο Δρ. Balmer είναι Μηχανικός Υλικών, ETH Zurich , Ζυρίχη, Ελβετία. Οι συγγραφείς ευχαριστούν την Ocean Optics (Dunedin, FL) για την υποστήριξή της στη δοκιμή διαφόρων φασματόμετρων. Η εργασία αυτή χρηματοδοτήθηκε από το Ελβετικό Εθνικό Ίδρυμα (Βέρνη, Ελβετία).
Recent Comments