Een uiterst nauwkeurige kalibratiemethode voor spectrometers
De nauwkeurigheid van spectrometerkalibratie is van cruciaal belang voor veel optische karakteriseringstechnieken zoals Raman-spectroscopie en interferometrie. 1–3 Meestal wordt een kalibratielamp gebruikt voor spectrometerkalibratie. Kalibratielampen bieden duidelijke, goed gedefinieerde lijnen met een bekende golflengte, en deze worden toegewezen aan de pixelindices van de detector. Voor kleine spectrale bereiken, waar slechts een klein aantal kalibratielijnen beschikbaar is, wordt de kalibratie echter onnauwkeurig. Dit artikel beschrijft de principes van een uiterst nauwkeurige kalibratiemethode die gebruikmaakt van een Fabry-Perot meerlaagse structuur, die meerdere scherpe kalibratiepieken oplevert over het volledige spectrum van de spectrometer.
Kalibratie methoden:
In de meeste gevallen worden spectrometers gekalibreerd met conventionele kalibratielampen. Hoewel deze methode eenvoudig te gebruiken is, heeft deze enkele beperkingen; deze worden hieronder beschreven.
Conventionele kalibratielampen
Een kalibratielamp verlicht de spectrometer en de posities – dwz pixelindices ( p ) van de kalibratielijnen met bekende golflengten (λ) – worden gemeten. Een kwadratische of hogere-orde-polynomiale aanpassing aan de gegevens (golflengten [λ] op posities [ p ]) levert de gezochte kalibratiefunctie op – λ( p ). Kalibratielampen (bijv. Hg/Ar-lampen) leveren emissielijnen op een bepaalde golflengte. In de regel zijn er brede golflengtegebieden zonder pieken, wat leidt tot een beperkte kalibratienauwkeurigheid. Verder is een fit van hogere polynomiale graad (N> 3) vereist een bepaald aantal kalibratielijnen, die beperkt kunnen zijn in bijv. spectrometers met kleine spectrale bereiken. De conventionele methode is minder betrouwbaar, met name voor miniatuurspectrometers, die sterk niet-lineaire lichtdispersies vertonen. De hier beschreven kalibratiemethode lost dit probleem op door een extra optisch element te gebruiken dat een set gelijkmatig verdeelde referentielijnen genereert voor een bepaald bereik.
Fabry-Perot referentiefilter
Het belangrijkste element dat wordt gebruikt, is een Fabry-Perot-referentiefilter (FRF), dat meestal is gemaakt van een transparante afstandslaag die wordt afgesloten door twee sterk reflecterende spiegels ( Figuur 1 ). Breedbandverlichting met wit licht levert meerdere scherpe transmissiemaxima van vergelijkbare intensiteit op, verdeeld over het volledige spectrum van de spectrometer. De FRF die in de experimenten van de auteurs werd gebruikt, bestond uit twee verzilverde micavellen die direct met elkaar in contact stonden. Mica, het materiaal voor de afstandslaag, werd gebruikt vanwege de uitstekende splijteigenschappen en het vermogen om grote, homogene vellen te verschaffen. 4
Als de diktes en brekingsindices van alle lagen van de FRF precies bekend zijn, kan het transmissiespectrum worden berekend en kunnen golflengten worden toegewezen aan de maximaposities op de pixelarray. De exacte dikte van de afstandslaag is echter a priori niet bekend en kan ook veranderen tijdens de kalibratieprocedure (bijvoorbeeld door thermische uitzetting). Daarom is het onvermijdelijk om tijdens de kalibratieprocedure tegelijkertijd de exacte afstandslaagdikte te bepalen. Een ontwikkeld iteratief algoritme lost dit probleem op door twee ijklijnen van een ijklamp als ankerlijnen te gebruiken. 4
Experimentele nauwkeurigheidstest
De nauwkeurigheid van het kalibratie-algoritme met behulp van de experimentele opstelling wordt geïllustreerd in figuur 2 . Eerst werden twee referentielijnen (RL3: 435 nm en RL7: 697 nm) van een CAL-2000 Hg/Ar-kalibratielamp ( Ocean Optics , Dunedin, FL) gedetecteerd voor een initiële lineaire kalibratie. Vervolgens verlichtte een halogeenlamp een FRF met een afstandslaagdikte van 15,6 m. Het doorgelaten licht werd opgevangen door een glasvezel en naar de spectrometer geleid om goed gedefinieerde inkoppelingsomstandigheden te garanderen. Een USB 2000+ miniatuurspectrometer van Ocean Optics ( Tabel 1 ) werd gebruikt voor detectie van de spectra. Ten slotte werd een polynoom van de achtste graad op de gegevens gepast (golflengten [λ] op posities [ p ]). Om de prestaties van het algoritme te onderzoeken, werd de nauwkeurigheid van de kalibratiemethode vergeleken met de nauwkeurigheid van een conventionele kalibratie. Hiervoor worden alle gedetecteerde referenties
lijnen (RL1-8) werden gebruikt en een derdegraads polynoom werd op de gegevens gepast (golflengten [λ] op posities [ p ]). De bijbehorende experimentele kalibratienauwkeurigheid werd bepaald door de verschillen te berekenen tussen de golflengten van de kalibratiecurves en de exacte die bekend zijn van de kwik/argonlijnen:
De kromming, κ = λ calib –λ lin , van de kalibratiecurve werd bepaald door het golflengteverschil tussen de conventionele kalibratie en de initiële lineaire kalibratie te berekenen.
Resultaten
De resultaten van de nauwkeurigheidstest zijn uitgezet in figuur 2. De kalibratienauwkeurigheid (boven) geeft aan hoe goed de kalibratiefunctie de gemeten referentiegolflengten reproduceert. De conventionele kalibratiemethode (driehoeken) resulteert in een kalibratienauwkeurigheid van 0,4 , terwijl de nieuwe methode resulteert in een nauwkeurigheid die beter is dan 0,2 Å (cirkels). De kromming κ (Figuur 2, midden) van de kalibratiecurven weerspiegelt de niet-lineariteit van de lichtverspreiding in de miniatuurspectrometer. Het FRF- en kalibratielampspectrum worden weergegeven onderaan figuur 2.
De nieuwe kalibratiemethode leidt tot betere kalibratienauwkeurigheden dan de conventionele methode. Verder kunnen niet-lineariteiten als gevolg van roostervervormingen of brekingsindexdispersies in het afstandsmateriaal worden gedetecteerd. 5
Gevolgtrekking
Het voordeel van de hier beschreven kalibratiemethode is de mogelijkheid om sterk niet-lineaire miniatuurspectrometers te kalibreren voor spectrale bereiken waarin slechts enkele referentielijnen beschikbaar zijn. De extra kalibratiepieken van de FRF maken aanpassingen in een hogere polynomiale orde mogelijk, wat resulteert in hogere kalibratienauwkeurigheden. De nieuwe methode onthulde kalibratienauwkeurigheden van minder dan 0,2 , wat minstens twee keer zo nauwkeurig is als de conventionele kalibratie. Het is belangrijk op te merken dat dit resultaat werd verkregen door een aanzienlijk aantal kalibratielijnen te gebruiken voor de conventionele kalibratie. In bereiken waar minder lijnen beschikbaar zijn, zou het verschil groter worden, wat de kracht van de kalibratiemethode onthult.
Referenties
- Dorr, C. J. Opt. soc. Ben. B 1999 , 16 (7), 1160.
- Fontein, AW; Vickers, TJ et al. toepassing Spectrosc. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguchi, HO toepassing Spectrosc. Rev. 1988 , 24 (1-2), 1378.
- Perret, E.; Balmer, TD et al. toepassing Spectrosc. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. soc. Ver. Trans. l 1978 , 74 , 9758.
Dr. Perret is een wetenschapper, Paul Scherrer Institut , 5232 Villigen, Zwitserland; tel.: +41 3401394; e-mail: edithfu@gmail.com. Dr. Balmer is een materiaalingenieur, ETH Zürich , Zürich, Zwitserland. De auteurs danken Ocean Optics (Dunedin, FL) voor zijn steun bij het testen van verschillende spectrometers. Dit werk werd gefinancierd door de Zwitserse Nationale Stichting (Bern, Zwitserland).
Recent Comments