Bardzo precyzyjna metoda kalibracji dla spektrometrów
Dokładność kalibracji spektrometru ma kluczowe znaczenie dla wielu technik charakteryzacji optycznej, takich jak spektroskopia Ramana i interferometria. 1–3 Zazwyczaj do kalibracji spektrometru używana jest lampa kalibracyjna. Lampy kalibracyjne zapewniają wyraźne, dobrze zdefiniowane linie o znanej długości fali, które są przypisywane do indeksów pikseli detektora. Jednak w przypadku małych zakresów widmowych, gdzie dostępna jest tylko niewielka liczba linii kalibracyjnych, kalibracja staje się niedokładna. W tym artykule opisano zasady wysoce precyzyjnej metody kalibracji, która wykorzystuje wielowarstwową strukturę Fabry-Perot, zapewniającą wiele ostrych pików kalibracyjnych w całym zakresie spektrometru.
Metody kalibracji
W większości przypadków spektrometry są kalibrowane przy użyciu konwencjonalnych lamp kalibracyjnych. Chociaż ta metoda jest prosta w użyciu, ma pewne ograniczenia; są one opisane poniżej.
Konwencjonalne lampy kalibracyjne
Lampa kalibracyjna oświetla spektrometr i mierzone są pozycje – tj. indeksy pikseli ( p ) linii kalibracyjnych o znanych długościach fal (λ). Dopasowanie kwadratowe lub wielomianowe wyższego rzędu do danych (długości fal [λ] w pozycjach [ p ]) daje poszukiwaną funkcję kalibracji — λ( p ). Lampy kalibracyjne (np. lampy Hg/Ar) zapewniają linie emisyjne przy danej długości fali. Z reguły istnieją regiony o szerokich długościach fal bez pików, co prowadzi do ograniczonej dokładności kalibracji. Ponadto dopasowanie wyższego stopnia wielomianu (N> 3) wymaga pewnej liczby linii kalibracyjnych, która może być ograniczona np. w spektrometrach o małych zakresach spektralnych. Metoda konwencjonalna jest mniej niezawodna, szczególnie w przypadku miniaturowych spektrometrów, które wykazują silnie nieliniową dyspersję światła. Opisana tutaj metoda kalibracji rozwiązuje ten problem poprzez zastosowanie dodatkowego elementu optycznego, który generuje zestaw równomiernie rozmieszczonych linii odniesienia dla dowolnego zadanego zakresu.
Filtr referencyjny Fabry-Perot
Kluczowym elementem zastosowanym jest filtr referencyjny Fabry-Perot (FRF), który jest zwykle wykonany z przezroczystej warstwy dystansowej zakończonej dwoma silnie odbijającymi zwierciadłami ( Figura 1 ). Oświetlenie szerokopasmowe światłem białym daje wiele ostrych maksimów transmisji o podobnym natężeniu rozłożonych w całym zakresie spektrometru. FRF użyty w eksperymentach autorów składał się z dwóch arkuszy miki posrebrzanej od tyłu, które stykały się bezpośrednio ze sobą. Zastosowano mikę, która jest materiałem na warstwę przekładkową, ze względu na jej doskonałe właściwości rozszczepiające i możliwość uzyskania dużych, jednorodnych arkuszy. 4
Jeśli grubości i współczynniki załamania wszystkich warstw FRF są dokładnie znane, można obliczyć widmo transmisji i przypisać długości fal do pozycji maksimów na tablicy pikseli. Jednak dokładna grubość warstwy dystansującej nie jest a priori znana i może również ulec zmianie podczas procedury kalibracji (np. z powodu rozszerzalności cieplnej). Dlatego nieuniknione jest jednoczesne określenie dokładnej grubości warstwy dystansowej podczas procedury kalibracji. Opracowany algorytm iteracyjny rozwiązuje ten problem, wykorzystując dwie linie kalibracyjne lampy kalibracyjnej jako linie kotwiczące. 4
Eksperymentalny test dokładności
Dokładność algorytmu kalibracyjnego z wykorzystaniem układu doświadczalnego jest zilustrowana na rysunku 2 . Najpierw wykryto dwie linie odniesienia (RL3: 435 nm i RL7: 697 nm) lampy kalibracyjnej CAL-2000 Hg/Ar ( Ocean Optics , Dunedin, FL) dla początkowej kalibracji liniowej. Następnie lampa halogenowa oświetliła FRF o grubości warstwy dystansowej 15,6 μm. Przepuszczane światło było zbierane przez włókno szklane i kierowane do spektrometru w celu zapewnienia dobrze zdefiniowanych warunków sprzęgania. Do wykrywania widm zastosowano miniaturowy spektrometr USB 2000+ firmy Ocean Optics ( tabela 1 ). Ostatecznie do danych dopasowano wielomian ósmego stopnia (długości fal [λ] w pozycjach [ p ]). W celu zbadania działania algorytmu porównano dokładność metody wzorcowania z dokładnością wzorcowania konwencjonalnego. W tym celu wszystkie wykryte odniesienia
zastosowano linie (RL1–8) i do danych dopasowano wielomian trzeciego stopnia (długości fali [λ] w pozycjach [ p ]). Odpowiednia dokładność kalibracji eksperymentalnej została określona przez obliczenie różnic między długościami fal krzywych kalibracyjnych a dokładnymi znanymi liniami rtęć/argon:
Krzywizna, κ = λ calib –λ lin , krzywej kalibracyjnej została określona przez obliczenie różnicy długości fali między kalibracją konwencjonalną a początkową kalibracją liniową.
Wyniki
Wyniki testu dokładności przedstawiono na rysunku 2. Dokładność kalibracji (na górze) odzwierciedla, jak dobrze funkcja kalibracji odtwarza zmierzone długości fal odniesienia. Konwencjonalna metoda kalibracji (trójkąty) zapewnia dokładność kalibracji 0,4 Å, podczas gdy nowa metoda daje dokładność lepszą niż 0,2 Å (kółka). Krzywizna κ (rysunek 2, środek) krzywych kalibracyjnych odzwierciedla nieliniowość dyspersji światła w miniaturowym spektrometrze. Widmo FRF i lampy kalibracyjnej pokazano na dole rysunku 2.
Nowa metoda kalibracji prowadzi do lepszych dokładności kalibracji niż metoda konwencjonalna. Ponadto można wykryć nieliniowości spowodowane zniekształceniami siatki lub dyspersjami współczynnika załamania w materiale przekładki. 5
Wniosek
Zaletą opisywanej metody kalibracji jest możliwość kalibracji silnie nieliniowych miniaturowych spektrometrów dla zakresów spektralnych, w których dostępnych jest tylko kilka linii odniesienia. Dodatkowe piki kalibracyjne z FRF umożliwiają dopasowanie wyższego rzędu wielomianów, co skutkuje wyższą dokładnością kalibracji. Nowa metoda wykazała dokładność kalibracji poniżej 0,2 Å, co jest co najmniej dwukrotnie dokładniejszą niż kalibracja konwencjonalna. Należy zauważyć, że ten wynik uzyskano przy użyciu znacznej liczby linii kalibracyjnych dla konwencjonalnej kalibracji. W zakresach, w których dostępnych jest mniej linii, różnica stałaby się głębsza, ujawniając siłę metody kalibracji.
Bibliografia
- Dorrer, C. J. Opt. Soc. Jestem. b 1999 , 16 (7), 1160.
- Fontanna, AW; Vickers, TJ i in. Zał. Widmo. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguczi, HO Zał. Widmo. Obrót silnika. 1988 , 24 (1–2), 1378.
- Perret, E.; Balmer, TD i in. Zał. Widmo. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachwili, JN; Adams, GE J.Chem. Soc. Daleko. Przeł. i 1978 , 74 , 9758.
Dr Perret jest naukowcem, Paul Scherrer Institut , 5232 Villigen, Szwajcaria; tel.: +41 3401394; e-mail: edithfu@gmail.com. Dr Balmer jest inżynierem materiałowym, ETH Zurich , Zurych, Szwajcaria. Autorzy dziękują firmie Ocean Optics (Dunedin, FL) za wsparcie w testowaniu różnych spektrometrów. Praca ta została sfinansowana przez Szwajcarską Fundację Narodową (Berno, Szwajcaria).