Erittäin tarkka spektrometrien kalibrointimenetelmä
Spektrometrin kalibroinnin tarkkuus on ratkaisevan tärkeä monille optisille karakterisointitekniikoille, kuten Raman-spektroskopialle ja interferometrialle. 1–3 Spektrometrin kalibrointiin käytetään tyypillisesti kalibrointilamppua. Kalibrointilamput tarjoavat erilliset, hyvin määritellyt viivat tunnetulla aallonpituudella, ja ne on määritetty ilmaisimen pikseli-indekseihin. Pienillä spektrialueilla, joilla on käytettävissä vain pieni määrä kalibrointiviivoja, kalibroinnista tulee kuitenkin epätarkka. Tässä artikkelissa kuvataan erittäin tarkan kalibrointimenetelmän periaatteet, joka käyttää Fabry-Perot-monikerrosrakennetta ja tarjoaa useita teräviä kalibrointipiikkejä koko spektrometrialueella.
Kalibrointimenetelmät
Useimmissa tapauksissa spektrometrit kalibroidaan käyttämällä perinteisiä kalibrointilamppuja. Vaikka tämä menetelmä on yksinkertainen käyttää, sillä on joitain rajoituksia; nämä on kuvattu alla.
Perinteiset kalibrointilamput
Kalibrointilamppu valaisee spektrometrin ja mitataan tunnettujen aallonpituuksien (λ) kalibrointiviivojen paikat eli pikseliindeksit ( p ). Neliöllinen tai korkeamman kertaluvun polynomin sovitus dataan (aallonpituudet [λ] paikoissa [ p ]) tuottaa haetun kalibrointifunktion — λ( p ). Kalibrointilamput (esim. Hg/Ar-lamput) tarjoavat emissioviivoja tietyllä aallonpituudella. Yleensä on olemassa leveitä aallonpituusalueita, joilla ei ole huippuja, mikä johtaa rajoitettuun kalibrointitarkkuuteen. Lisäksi korkeamman polynomiasteen sovitus (N> 3) vaatii tietyn määrän kalibrointilinjoja, jotka voivat olla rajoitettuja esim. spektrometreissä, joilla on pieni spektrialue. Perinteinen menetelmä on vähemmän luotettava erityisesti pienikokoisille spektrometreille, jotka osoittavat voimakkaasti epälineaarisia valodispersioita. Tässä kuvattu kalibrointimenetelmä ratkaisee tämän ongelman käyttämällä ylimääräistä optista elementtiä, joka luo joukon tasaisesti jakautuneita referenssiviivoja mille tahansa tietylle alueelle.
Fabry-Perot referenssisuodatin
Käytetty avainelementti on Fabry-Perot-referenssisuodatin (FRF), joka on tyypillisesti valmistettu läpinäkyvästä välikerroksesta, joka on päätetty kahdella voimakkaasti heijastavalla peilillä ( kuvio 1 ). Laajakaistavalaistus valkoisella valolla tuottaa useita teräviä lähetysmaksimia, joilla on samanlainen intensiteetti jaettuna koko spektrometrin alueelle. Kirjoittajien kokeissa käytetty FRF koostui kahdesta taustahopeasta kiillelevystä, jotka olivat suorassa kosketuksessa toisiinsa. Kiillettä, joka on välikerrosmateriaali, käytettiin sen erinomaisten halkeamisominaisuuksien ja kyvyn ansiosta tuottaa suuria, homogeenisia levyjä. 4
Jos FRF:n kaikkien kerrosten paksuudet ja taitekertoimet tiedetään tarkasti, voidaan laskea siirtospektri ja määrittää aallonpituudet pikseliryhmän maksimipaikoille. Välikekerroksen tarkkaa paksuutta ei kuitenkaan etukäteen tiedetä, ja se voi myös muuttua kalibroinnin aikana (esim. lämpölaajenemisen vuoksi). Siksi on väistämätöntä määrittää samanaikaisesti välikekerroksen tarkka paksuus kalibroinnin aikana. Kehitetty iteratiivinen algoritmi ratkaisee tämän ongelman käyttämällä kahta kalibrointilampun kalibrointilinjaa ankkurilinjoina. 4
Kokeellinen tarkkuustesti
Kalibrointialgoritmin tarkkuus kokeellisen järjestelyn avulla on esitetty kuvassa 2 . Aluksi havaittiin kaksi vertailuviivaa (RL3: 435 nm ja RL7: 697 nm) CAL-2000 Hg/Ar -kalibrointilampusta ( Ocean Optics , Dunedin, FL) alkuperäistä lineaarista kalibrointia varten. Seuraavaksi halogeenilamppu valaisi FRF:n, jonka välikerroksen paksuus oli 15,6 μm. Läpäisevä valo kerättiin lasikuidulla ja ohjattiin spektrometriin, jotta varmistetaan tarkasti määritellyt kytkentäolosuhteet. Spektrien havaitsemiseen käytettiin USB 2000+ -miniatyyrispektrometriä yhtiöltä Ocean Optics ( taulukko 1 ). Lopuksi dataan sovitettiin kahdeksannen asteen polynomi (aallonpituudet [λ] paikoissa [ p ]). Algoritmin suorituskyvyn tutkimiseksi kalibrointimenetelmän tarkkuutta verrattiin perinteisen kalibroinnin tarkkuuteen. Tätä varten kaikki havaitut viittaukset
käytettiin viivoja (RL1–8) ja dataan sovitettiin kolmannen asteen polynomi (aallonpituudet [λ] kohdissa [ p ]). Vastaava kokeellinen kalibrointitarkkuus määritettiin laskemalla erot kalibrointikäyrien aallonpituuksien ja tarkkaan tunnettujen elohopea/argonlinjojen välillä:
Kalibrointikäyrän kaarevuus, κ = λ calib –λ lin , määritettiin laskemalla aallonpituusero tavanomaisen kalibroinnin ja alkuperäisen lineaarisen kalibroinnin välillä.
Tulokset
Tarkkuustestin tulokset on esitetty kuvassa 2. Kalibrointitarkkuus (ylhäällä) heijastaa sitä, kuinka hyvin kalibrointitoiminto toistaa mitatut vertailuaallonpituudet. Perinteinen kalibrointimenetelmä (kolmiot) tuottaa 0,4 Å:n kalibrointitarkkuuden, kun taas uusi menetelmä tuottaa paremman tarkkuuden kuin 0,2 Å (ympyrät). Kalibrointikäyrien kaarevuus κ (kuva 2, keskusta) heijastaa valon hajoamisen epälineaarisuutta minispektrometrissä. FRF- ja kalibrointilampun spektrit näkyvät kuvan 2 alaosassa.
Uusi kalibrointimenetelmä johtaa parempaan kalibrointitarkkuuteen kuin perinteinen menetelmä. Lisäksi voidaan havaita epälineaarisuus, joka johtuu hilan vääristymistä tai taitekerroindispersioista välikemateriaalissa. 5
Johtopäätös
Tässä kuvatun kalibrointimenetelmän etuna on sen kyky kalibroida vahvasti epälineaarisia minispektrometrejä spektrialueille, joilla on käytettävissä vain muutama vertailuviiva. FRF:n lisäkalibrointihuiput mahdollistavat korkeamman polynomin kertaluvun sovitukset, mikä johtaa korkeampaan kalibrointitarkkuuteen. Uusi menetelmä paljasti alle 0,2 Å:n kalibrointitarkkuudet, mikä on vähintään kaksi kertaa niin tarkka kuin perinteinen kalibrointi. On tärkeää huomata, että tämä tulos saatiin käyttämällä huomattavaa määrää kalibrointilinjoja tavanomaiseen kalibrointiin. Alueilla, joilla on vähemmän rivejä, ero tulee syvällisemmäksi, mikä paljastaa kalibrointimenetelmän tehon.
Viitteet
- Dorrer, C. J. Opt. Soc. Olen. B 1999 , 16 (7), 1160.
- Fountain, AW; Vickers, TJ et ai. Appl. Spectrosc. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguchi, HO Appl. Spectrosc. Rev. 1988 , 24 (1–2), 1378.
- Perret, E.; Balmer, TD et ai. Appl. Spectrosc. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. Soc. Kaukana. Trans. minä 1978 , 74 , 9758.
Dr. Perret on tutkija, Paul Scherrer Institut , 5232 Villigen, Sveitsi; puh.: +41 3401394; sähköposti: edithfu@gmail.com. Dr. Balmer on materiaaliinsinööri, ETH Zurich , Zürich, Sveitsi. Kirjoittajat kiittävät Ocean Opticsia (Dunedin, FL) sen tuesta eri spektrometrien testauksessa. Tätä työtä rahoitti Sveitsin kansallinen säätiö (Bern, Sveitsi).
Recent Comments