Un metodo di calibrazione ad alta precisione per spettrometri
L’accuratezza della calibrazione dello spettrometro è di fondamentale importanza per molte tecniche di caratterizzazione ottica come la spettroscopia Raman e l’interferometria. 1–3 Tipicamente, per la calibrazione dello spettrometro viene utilizzata una lampada di calibrazione. Le lampade di calibrazione forniscono linee distinte e ben definite a una lunghezza d’onda nota e queste sono assegnate agli indici di pixel del rivelatore. Tuttavia, per intervalli spettrali piccoli, in cui è disponibile solo un numero ridotto di righe di calibrazione, la calibrazione diventa imprecisa. Questo articolo descrive i principi di un metodo di calibrazione ad alta precisione che utilizza una struttura multistrato Fabry-Perot, fornendo più picchi di calibrazione nitidi sull’intera gamma dello spettrometro.
Metodi di calibrazione
Nella maggior parte dei casi, gli spettrometri vengono calibrati utilizzando lampade di calibrazione convenzionali. Sebbene questo metodo sia semplice da usare, ha alcune restrizioni; questi sono descritti di seguito.
Lampade di calibrazione convenzionali
Una lampada di calibrazione illumina lo spettrometro e vengono misurate le posizioni, ovvero gli indici di pixel ( p ) delle linee di calibrazione di lunghezze d’onda note (λ). Un adattamento quadratico o polinomiale di ordine superiore ai dati (lunghezze d’onda [λ] nelle posizioni [ p ]) fornisce la funzione di calibrazione ricercata: λ( p ). Le lampade di calibrazione (ad es. lampade Hg/Ar) forniscono linee di emissione a una determinata lunghezza d’onda. Di norma, ci sono ampie regioni di lunghezza d’onda senza picchi, che portano a una precisione di calibrazione limitata. Inoltre, un fit di grado polinomiale superiore (N> 3) richiede un certo numero di righe di calibrazione, che potrebbero essere limitate, ad esempio, in spettrometri con piccoli intervalli spettrali. Il metodo convenzionale è meno affidabile, in particolare per gli spettrometri miniaturizzati, che mostrano dispersioni di luce fortemente non lineari. Il metodo di calibrazione qui descritto risolve questo problema utilizzando un elemento ottico aggiuntivo che genera un insieme di linee di riferimento uniformemente distribuite per un dato intervallo.
Filtro di riferimento Fabry-Perot
L’elemento chiave utilizzato è un filtro di riferimento Fabry-Perot (FRF), che è tipicamente costituito da uno strato distanziatore trasparente terminato da due specchi altamente riflettenti ( Figura 1 ). L’illuminazione a banda larga con luce bianca produce più massimi di trasmissione nitida di intensità simile distribuita sull’intera gamma dello spettrometro. La FRF utilizzata negli esperimenti degli autori consisteva in due fogli di mica retroargentati a diretto contatto tra loro. La mica, che è il materiale dello strato distanziatore, è stata utilizzata per le sue eccellenti proprietà di scissione e per la capacità di fornire fogli grandi e omogenei. 4
Se gli spessori e gli indici di rifrazione di tutti gli strati della FRF sono noti con precisione, è possibile calcolare lo spettro di trasmissione e assegnare lunghezze d’onda alle posizioni massime sull’array di pixel. Tuttavia, l’esatto spessore dello strato distanziatore non è noto a priori e può anche cambiare durante la procedura di calibrazione (ad es. a causa dell’espansione termica). Pertanto, è inevitabile determinare simultaneamente l’esatto spessore dello strato distanziatore durante la procedura di calibrazione. Un algoritmo iterativo che è stato sviluppato risolve questo problema utilizzando due linee di calibrazione di una lampada di calibrazione come linee di ancoraggio. 4
Test di accuratezza sperimentale
L’accuratezza dell’algoritmo di calibrazione utilizzando la configurazione sperimentale è illustrata nella Figura 2 . Inizialmente, sono state rilevate due linee di riferimento (RL3: 435 nm e RL7: 697 nm) di una lampada di calibrazione CAL-2000 Hg/Ar ( Ocean Optics , Dunedin, FL) per una calibrazione lineare iniziale. Successivamente, una lampada alogena ha illuminato un FRF con uno spessore dello strato distanziatore di 15,6 μm. La luce trasmessa è stata raccolta da una fibra di vetro e guidata allo spettrometro per garantire condizioni di disaccoppiamento ben definite. Per il rilevamento degli spettri è stato utilizzato uno spettrometro in miniatura USB 2000+ di Ocean Optics ( Tabella 1 ). Infine, ai dati è stato adattato un polinomio di ottavo grado (lunghezze d’onda [λ] nelle posizioni [ p ]). Per studiare le prestazioni dell’algoritmo, l’accuratezza del metodo di calibrazione è stata confrontata con l’accuratezza di una calibrazione convenzionale. Per questo, tutti i riferimenti rilevati
sono state utilizzate linee (RL1–8) ed è stato adattato ai dati un polinomio di terzo grado (lunghezze d’onda [λ] nelle posizioni [ p ]). La corrispondente precisione di calibrazione sperimentale è stata determinata calcolando le differenze tra le lunghezze d’onda delle curve di calibrazione e quelle esatte note delle linee mercurio/argon:
La curvatura, κ = λ calib –λ lin , della curva di calibrazione è stata determinata calcolando la differenza di lunghezza d’onda tra la calibrazione convenzionale e la calibrazione lineare iniziale.
Risultati
I risultati del test di precisione sono riportati nella Figura 2. L’accuratezza della calibrazione (in alto) riflette quanto bene la funzione di calibrazione riproduce le lunghezze d’onda di riferimento misurate. Il metodo di calibrazione convenzionale (triangoli) si traduce in una precisione di calibrazione di 0,4 Å, mentre il nuovo metodo si traduce in una precisione migliore di 0,2 Å (cerchi). La curvatura κ (Figura 2, centro) delle curve di calibrazione riflette la non linearità della dispersione della luce nello spettrometro in miniatura. Lo spettro FRF e lampada di calibrazione sono mostrati nella parte inferiore della Figura 2.
Il nuovo metodo di calibrazione porta a una migliore precisione di calibrazione rispetto al metodo convenzionale. Inoltre, possono essere rilevate non linearità dovute a distorsioni del reticolo o dispersioni dell’indice di rifrazione nel materiale distanziatore. 5
Conclusione
Il vantaggio del metodo di calibrazione qui descritto è la sua capacità di calibrare spettrometri miniaturizzati fortemente non lineari per intervalli spettrali in cui sono disponibili solo poche linee di riferimento. I picchi di calibrazione aggiuntivi dell’FRF consentono accoppiamenti di ordine polinomiale più elevato, che si traducono in una maggiore precisione di calibrazione. Il nuovo metodo ha rivelato una precisione di calibrazione inferiore a 0,2 Å, che è almeno due volte più accurata della calibrazione convenzionale. È importante notare che questo risultato è stato ottenuto utilizzando una quantità significativa di linee di calibrazione per la calibrazione convenzionale. Negli intervalli in cui sono disponibili meno linee, la differenza diventerebbe più profonda, rivelando la potenza del metodo di calibrazione.
Riferimenti
- Dorrer, C. J. Opt. soc. Sono. B 1999 , 16 (7), 1160.
- Fontana, AW; Vickers, TJ et al. appl. Spettrosc. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguchi, HO appl. Spettrosc. Rev. 1988 , 24 (1–2), 1378.
- Perret, E.; Balmer, TD et al. appl. Spettrosc. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. soc. Lontano. Trans. io 1978 , 74 , 9758.
Il Dr. Perret è uno scienziato, Paul Scherrer Institut , 5232 Villigen, Svizzera; tel.: +41 3401394; e-mail: edithfu@gmail.com. Il Dr. Balmer è un ingegnere dei materiali, ETH Zurigo , Zurigo, Svizzera. Gli autori ringraziano Ocean Optics (Dunedin, FL) per il suo supporto nel testare vari spettrometri. Questo lavoro è stato finanziato dalla Fondazione Nazionale Svizzera (Berna, Svizzera).
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