Un método de calibración de alta precisión para espectrómetros
La precisión de la calibración del espectrómetro es de vital importancia para muchas técnicas de caracterización óptica, como la espectroscopia Raman y la interferometría. 1–3 Por lo general, se utiliza una lámpara de calibración para la calibración del espectrómetro. Las lámparas de calibración proporcionan líneas distintas y bien definidas en una longitud de onda conocida, y estas se asignan a los índices de píxeles del detector. Sin embargo, para rangos espectrales pequeños, donde solo se dispone de una pequeña cantidad de líneas de calibración, la calibración se vuelve inexacta. Este artículo describe los principios de un método de calibración de alta precisión que utiliza una estructura multicapa de Fabry-Perot, que proporciona múltiples picos de calibración nítidos en todo el rango del espectrómetro.
Métodos de calibración
En la mayoría de los casos, los espectrómetros se calibran utilizando lámparas de calibración convencionales. Aunque este método es simple de usar, tiene algunas restricciones; estos se describen a continuación.
Lámparas de calibración convencionales
Una lámpara de calibración ilumina el espectrómetro y se miden las posiciones, es decir, los índices de píxeles ( p ) de las líneas de calibración de longitudes de onda conocidas (λ). Un ajuste polinomial cuadrático o de orden superior a los datos (longitudes de onda [λ] en las posiciones [ p ]) produce la función de calibración buscada: λ( p ). Las lámparas de calibración (p. ej., lámparas de Hg/Ar) proporcionan líneas de emisión a una longitud de onda determinada. Como regla general, hay regiones de longitud de onda amplia sin picos, lo que conduce a una precisión de calibración limitada. Además, un ajuste de grado polinomial superior (N> 3) requiere un cierto número de líneas de calibración, que puede estar limitado, por ejemplo, en espectrómetros con rangos espectrales pequeños. El método convencional es menos confiable, particularmente para los espectrómetros en miniatura, que exhiben dispersiones de luz fuertemente no lineales. El método de calibración descrito aquí resuelve este problema mediante el uso de un elemento óptico adicional que genera un conjunto de líneas de referencia distribuidas uniformemente para cualquier rango dado.
Filtro de referencia Fabry-Perot
El elemento clave utilizado es un filtro de referencia Fabry-Perot (FRF), que normalmente está hecho de una capa espaciadora transparente terminada en dos espejos altamente reflectantes ( Figura 1 ). La iluminación de banda ancha con luz blanca produce múltiples máximos de transmisión nítidos de intensidad similar distribuidos en todo el rango del espectrómetro. El FRF utilizado en los experimentos de los autores consistió en dos láminas de mica plateadas en contacto directo entre sí. Se utilizó mica, que es el material de la capa espaciadora, debido a sus excelentes propiedades de escisión y capacidad para proporcionar láminas grandes y homogéneas. 4
Si se conocen con precisión los espesores y los índices de refracción de todas las capas de la FRF, se puede calcular el espectro de transmisión y se pueden asignar longitudes de onda a las posiciones máximas en la matriz de píxeles. Sin embargo, el grosor exacto de la capa espaciadora no se conoce a priori y también puede cambiar durante el procedimiento de calibración (p. ej., debido a la expansión térmica). Por lo tanto, es inevitable determinar simultáneamente el grosor exacto de la capa espaciadora durante el procedimiento de calibración. Se ha desarrollado un algoritmo iterativo que resuelve este problema utilizando dos líneas de calibración de una lámpara de calibración como líneas de anclaje. 4
Prueba de precisión experimental
En la Figura 2 se ilustra la precisión del algoritmo de calibración utilizando la configuración experimental. Al principio, se detectaron dos líneas de referencia (RL3: 435 nm y RL7: 697 nm) de una lámpara de calibración CAL-2000 Hg/Ar ( Ocean Optics , Dunedin, FL) para una calibración lineal inicial. A continuación, una lámpara halógena iluminó un FRF con un espesor de capa espaciadora de 15,6 μm. La luz transmitida fue recolectada por una fibra de vidrio y guiada al espectrómetro para asegurar condiciones de acoplamiento bien definidas. Se usó un espectrómetro en miniatura USB 2000+ de Ocean Optics ( Tabla 1 ) para la detección de los espectros. Finalmente, se ajustó un polinomio de octavo grado a los datos (longitudes de onda [λ] en las posiciones [ p ]). Para investigar el rendimiento del algoritmo, se comparó la precisión del método de calibración con la precisión de una calibración convencional. Para ello, todas las referencias detectadas
Se utilizaron líneas (RL1–8) y se ajustó un polinomio de tercer grado a los datos (longitudes de onda [λ] en las posiciones [ p ]). La precisión de calibración experimental correspondiente se determinó calculando las diferencias entre las longitudes de onda de las curvas de calibración y las exactas conocidas de las líneas de mercurio/argón:
La curvatura, κ = λ calib –λ lin , de la curva de calibración se determinó calculando la diferencia de longitud de onda entre la calibración convencional y la calibración lineal inicial.
Resultados
Los resultados de la prueba de precisión se representan en la Figura 2. La precisión de la calibración (arriba) refleja qué tan bien la función de calibración reproduce las longitudes de onda de referencia medidas. El método de calibración convencional (triángulos) da como resultado una precisión de calibración de 0,4 Å, mientras que el nuevo método da como resultado una precisión superior a 0,2 Å (círculos). La curvatura κ (Figura 2, centro) de las curvas de calibración refleja la no linealidad de la dispersión de luz en el espectrómetro en miniatura. El FRF y el espectro de la lámpara de calibración se muestran en la parte inferior de la Figura 2.
El nuevo método de calibración conduce a mejores precisiones de calibración que el método convencional. Además, pueden detectarse las no linealidades debidas a distorsiones de rejilla o dispersiones del índice de refracción en el material espaciador. 5
Conclusión
La ventaja del método de calibración descrito aquí es su capacidad para calibrar espectrómetros en miniatura fuertemente no lineales para rangos espectrales en los que solo están disponibles unas pocas líneas de referencia. Los picos de calibración adicionales del FRF permiten ajustes de mayor orden polinomial, lo que da como resultado mayores precisiones de calibración. El nuevo método reveló precisiones de calibración por debajo de 0,2 Å, que es al menos el doble de precisa que la calibración convencional. Es importante señalar que este resultado se obtuvo utilizando una cantidad significativa de líneas de calibración para la calibración convencional. En los rangos donde hay menos líneas disponibles, la diferencia sería más profunda, revelando el poder del método de calibración.
Referencias
- Dorrer, C. J. Opt. Soc. Soy. B 1999 , 16 (7), 1160.
- Fuente, AW; Vickers, TJ y col. aplicación Espectrosc. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguchi, HO aplicación Espectrosc. Rvdo. 1988 , 24 (1–2), 1378.
- Perret, E.; Balmer, TD et al. aplicación Espectrosc. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. Soc. Lejos. Trans. I 1978 , 74 , 9758.
El Dr. Perret es científico, Instituto Paul Scherrer , 5232 Villigen, Suiza; tel.: +41 3401394; correo electrónico: edithfu@gmail.com. El Dr. Balmer es ingeniero de materiales, ETH Zurich , Zurich, Suiza. Los autores agradecen a Ocean Optics (Dunedin, FL) por su apoyo en la prueba de varios espectrómetros. Este trabajo fue financiado por la Fundación Nacional Suiza (Berna, Suiza).
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