En högprecisionskalibreringsmetod för spektrometrar
Spektrometerkalibreringsnoggrannhet är av avgörande betydelse för många optiska karakteriseringstekniker såsom Raman-spektroskopi och interferometri. 1–3 Vanligtvis används en kalibreringslampa för spektrometerkalibrering. Kalibreringslampor ger distinkta, väldefinierade linjer vid en känd våglängd, och dessa tilldelas detektorns pixelindex. Men för små spektralområden, där endast ett litet antal kalibreringslinjer är tillgängliga, blir kalibreringen felaktig. Den här artikeln beskriver principerna för en högprecisionskalibreringsmetod som använder en Fabry-Perot flerskiktsstruktur, vilket ger flera skarpa kalibreringstoppar över hela spektrometerområdet.
Kalibreringsmetoder
I de flesta fall kalibreras spektrometrar med hjälp av konventionella kalibreringslampor. Även om denna metod är enkel att använda, har den vissa begränsningar; dessa beskrivs nedan.
Konventionella kalibreringslampor
En kalibreringslampa lyser upp spektrometern och positionerna – dvs pixelindex ( p ) för kalibreringslinjerna med kända våglängder (λ) – mäts. En kvadratisk eller högre ordningens polynompassning till data (våglängder [λ] vid positioner [ p ]) ger den sökta kalibreringsfunktionen — λ( p ). Kalibreringslampor (t.ex. Hg/Ar-lampor) ger emissionslinjer vid en given våglängd. Som regel finns det breda våglängdsområden utan toppar, vilket leder till begränsad kalibreringsnoggrannhet. Dessutom, en passform av högre polynomgrad (N> 3) kräver ett visst antal kalibreringslinjer, vilket kan vara begränsat i t.ex. spektrometrar med små spektralområden. Den konventionella metoden är mindre tillförlitlig, särskilt för miniatyrspektrometrar, som uppvisar starkt olinjära ljusdispersioner. Kalibreringsmetoden som beskrivs här löser detta problem genom att använda ett extra optiskt element som genererar en uppsättning jämnt fördelade referenslinjer för ett givet område.
Fabry-Perot referensfilter
Nyckelelementet som används är ett Fabry-Perot referensfilter (FRF), som vanligtvis är tillverkat av ett transparent distansskikt som avslutas av två högreflekterande speglar ( Figur 1 ). Bredbandsbelysning med vitt ljus ger flera skarpa transmissionsmaxima med liknande intensitet fördelade över hela spektrometerområdet. Den FRF som användes i författarnas experiment bestod av två bakförsilvrade glimmerskivor i direkt kontakt med varandra. Glimmer, som är distansskiktsmaterialet, användes på grund av dess utmärkta klyvningsegenskaper och förmåga att ge stora, homogena ark. 4
Om tjockleken och brytningsindexen för alla lager av FRF är exakt kända, kan transmissionsspektrumet beräknas och våglängder kan tilldelas maximapositionerna på pixelmatrisen. Den exakta tjockleken av distansskiktet är dock inte känd på förhand och kan också ändras under kalibreringsproceduren (t.ex. på grund av termisk expansion). Därför är det oundvikligt att samtidigt bestämma den exakta distansskiktets tjocklek under kalibreringsproceduren. En iterativ algoritm som har utvecklats löser detta problem genom att använda två kalibreringslinjer i en kalibreringslampa som ankarlinor. 4
Experimentellt noggrannhetstest
Noggrannheten hos kalibreringsalgoritmen med hjälp av experimentuppställningen illustreras i figur 2 . Först detekterades två referenslinjer (RL3: 435 nm och RL7: 697 nm) för en CAL-2000 Hg/Ar kalibreringslampa ( Ocean Optics , Dunedin, FL) för en initial linjär kalibrering. Därefter belyste en halogenlampa en FRF med en distansskikttjocklek på 15,6 μm. Det transmitterade ljuset samlades upp av en glasfiber och leddes till spektrometern för att säkerställa väldefinierade inkopplingsförhållanden. En USB 2000+ miniatyrspektrometer från Ocean Optics ( tabell 1 ) användes för detektering av spektra. Slutligen anpassades ett åttondegradspolynom till data (våglängder [λ] vid positioner [ p ]). För att undersöka algoritmens prestanda jämfördes kalibreringsmetodens noggrannhet med noggrannheten hos en konventionell kalibrering. För detta, alla upptäckta referenser
linjer (RL1–8) användes och ett tredjegradspolynom anpassades till data (våglängder [λ] vid positioner [ p ]). Den motsvarande experimentella kalibreringsnoggrannheten bestämdes genom att beräkna skillnaderna mellan kalibreringskurvornas våglängder och de exakta kända för kvicksilver/argonlinjerna:
Krökningen, κ = λ calib –λ lin , för kalibreringskurvan bestämdes genom att beräkna våglängdsskillnaden mellan den konventionella kalibreringen och den initiala linjära kalibreringen.
Resultat
Resultaten av noggrannhetstestet plottas i figur 2. Kalibreringsnoggrannheten (överst) återspeglar hur väl kalibreringsfunktionen återger de uppmätta referensvåglängderna. Den konventionella kalibreringsmetoden (trianglar) ger en kalibreringsnoggrannhet på 0,4 Å, medan den nya metoden ger en noggrannhet på bättre än 0,2 Å (cirklar). Krökningen κ (Figur 2, mitten) av kalibreringskurvorna reflekterar olinjäriteten hos ljusspridningen i miniatyrspektrometern. FRF och kalibreringslampspektrum visas längst ner i figur 2.
Den nya kalibreringsmetoden leder till bättre kalibreringsnoggrannhet än den konventionella metoden. Vidare kan olinjäriteter på grund av gitterförvrängningar eller brytningsindexdispersioner i distansmaterialet detekteras. 5
Slutsats
Fördelen med kalibreringsmetoden som beskrivs här är dess förmåga att kalibrera starkt olinjära miniatyrspektrometrar för spektralområden där endast ett fåtal referenslinjer är tillgängliga. De ytterligare kalibreringstopparna från FRF möjliggör passningar i högre polynomordning, vilket resulterar i högre kalibreringsnoggrannhet. Den nya metoden avslöjade kalibreringsnoggrannheter under 0,2 Å, vilket är minst dubbelt så exakt som den konventionella kalibreringen. Det är viktigt att notera att detta resultat erhölls genom att använda en betydande mängd kalibreringslinjer för den konventionella kalibreringen. I områden där färre linjer är tillgängliga skulle skillnaden bli mer djupgående och avslöja kraften i kalibreringsmetoden.
Referenser
- Dorrer, C. J. Opt. Soc. Am. B 1999 , 16 (7), 1160.
- Fountain, AW; Vickers, TJ et al. Appl. Spectrosc. 1998 , 52 (3), 462.
- Hamaguchi, HO Appl. Spectrosc. Varv. 1988 , 24 (1–2), 1378.
- Perret, E.; Balmer, TD et al. Appl. Spectrosc. 2010 , 64 , 1139.
- Israelachvili, JN; Adams, GE J. Chem. Soc. Långt. Trans. jag 1978 , 74 , 9758.
Dr. Perret är en vetenskapsman, Paul Scherrer Institut , 5232 Villigen, Schweiz; tel.: +41 3401394; e-post: edithfu@gmail.com. Dr. Balmer är materialingenjör, ETH Zürich , Zürich, Schweiz. Författarna tackar Ocean Optics (Dunedin, FL) för dess stöd i att testa olika spektrometrar. Detta arbete finansierades av Swiss National Foundation (Bern, Schweiz).
Recent Comments