Оптический спектрометр ( спектрофотометр , спектрограф или спектроскоп ) — это прибор, используемый для измерения свойств света в определенной части электромагнитного спектра , обычно используемый в спектроскопическом анализе для идентификации материалов. [1] Измеряемой переменной чаще всего является облученность света, но также может быть, например, состояние поляризации . Независимой переменной обычно является длина волны света или близко производная физическая величина, такая как соответствующее волновое число или энергия фотона , в единицах измерения, таких как сантиметры, обратные сантиметры или электрон-вольты соответственно.
Спектрометр используется в спектроскопии для получения спектральных линий и измерения их длин волн и интенсивностей. Спектрометры могут работать в широком диапазоне неоптических длин волн, от гамма-лучей и рентгеновских лучей до дальнего инфракрасного диапазона . Если прибор предназначен для измерения спектра в абсолютной шкале, а не в относительной, то его обычно называют спектрофотометром . Большинство спектрофотометров используются в спектральных областях вблизи видимого спектра.
Спектрометр, откалиброванный для измерения падающей оптической мощности, называется спектрорадиометром . [ 2]
В общем, любой конкретный прибор будет работать в небольшой части этого общего диапазона из-за различных методов, используемых для измерения различных участков спектра. Ниже оптических частот (то есть на микроволновых и радиочастотах ) анализатор спектра является тесно связанным электронным устройством.
Спектрометры используются во многих областях. Например, они используются в астрономии для анализа излучения от объектов и определения их химического состава. Спектрометр использует призму или решетку для разложения света в спектр. Это позволяет астрономам обнаруживать многие химические элементы по их характерным спектральным линиям. Эти линии названы в честь элементов, которые их вызывают, например, линии водорода альфа , бета и гамма. Светящийся объект будет показывать яркие спектральные линии. Темные линии создаются поглощением, например, светом, проходящим через газовое облако, и эти линии поглощения также могут идентифицировать химические соединения. Большая часть наших знаний о химическом составе Вселенной исходит из спектров.
Спектроскопы часто используются в астрономии и некоторых областях химии . Ранние спектроскопы представляли собой просто призмы с градуировкой, отмечающей длины волн света. Современные спектроскопы обычно используют дифракционную решетку , подвижную щель и какой-то фотодетектор , все автоматизировано и управляется компьютером . Недавние достижения привели к увеличению зависимости вычислительных алгоритмов в ряде миниатюрных спектрометров без дифракционных решеток, например, за счет использования матриц фильтров на основе квантовых точек на чипе ПЗС [3] или серии фотодетекторов, реализованных на одной наноструктуре. [4]
Йозеф фон Фраунгофер разработал первый современный спектроскоп, объединив призму, дифракционную щель и телескоп таким образом, что это увеличило спектральное разрешение и было воспроизводимо в других лабораториях. Фраунгофер также изобрел первый дифракционный спектроскоп. [5] Густав Роберт Кирхгоф и Роберт Бунзен открыли применение спектроскопов для химического анализа и использовали этот подход для открытия цезия и рубидия . [6] [7] Анализ Кирхгофа и Бунзена также позволил дать химическое объяснение звездным спектрам , включая линии Фраунгофера . [8]
Когда материал нагревается до каления, он излучает свет , характерный для атомного состава материала. Определенные частоты света приводят к появлению резко очерченных полос на шкале, которые можно считать отпечатками пальцев. Например, элемент натрий имеет очень характерную двойную желтую полосу, известную как D-линии натрия на 588,9950 и 589,5924 нанометра, цвет которой будет знаком любому, кто видел натриевую лампу низкого давления .
В оригинальной конструкции спектроскопа начала 19 века свет попадал в щель, а коллимирующая линза преобразовывала свет в тонкий пучок параллельных лучей. Затем свет проходил через призму (в ручных спектроскопах обычно призму Амичи ), которая преломляла пучок в спектр, поскольку волны разной длины преломлялись в разной степени из-за дисперсии . Затем это изображение просматривалось через трубку со шкалой, которая была транспонирована на спектральное изображение, что позволяло проводить его прямое измерение.
С развитием фотопленки был создан более точный спектрограф. Он был основан на том же принципе, что и спектроскоп, но вместо трубки просмотра у него была камера. В последние годы электронные схемы, построенные вокруг фотоумножительной трубки, заменили камеру, что позволило проводить спектрографический анализ в реальном времени с гораздо большей точностью. Массивы фотодатчиков также используются вместо пленки в спектрографических системах. Такой спектральный анализ, или спектроскопия, стал важным научным инструментом для анализа состава неизвестного материала, а также для изучения астрономических явлений и проверки астрономических теорий.
В современных спектрографах в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах спектр обычно задается в виде числа фотонов на единицу длины волны (нм или мкм), волнового числа (мкм −1 , см −1 ), частоты (ТГц) или энергии (эВ), причем единицы указаны по оси абсцисс . В среднем и дальнем ИК спектры обычно выражаются в единицах Вт на единицу длины волны (мкм) или волнового числа (см −1 ). Во многих случаях спектр отображается с подразумеваемыми единицами (например, «цифровые отсчеты» на спектральный канал).
Геммологи часто используют спектроскопы для определения спектров поглощения драгоценных камней, что позволяет им делать выводы о том, какой вид драгоценного камня они исследуют. [9] Геммолог может сравнить наблюдаемый им спектр поглощения с каталогом спектров различных драгоценных камней, чтобы сузить круг точной идентификации драгоценного камня.
Спектрограф — это прибор, который разделяет свет на длины волн и записывает данные. [11] Спектрограф обычно имеет многоканальную систему детекторов или камеру, которая обнаруживает и записывает спектр света. [11] [12]
Термин был впервые использован в 1876 году доктором Генри Дрейпером , когда он изобрел самую раннюю версию этого устройства, и которое он использовал для получения нескольких фотографий спектра Веги . Эта самая ранняя версия спектрографа была громоздкой в использовании и сложной в управлении. [13]
Существует несколько видов машин, называемых спектрографами , в зависимости от точной природы волн. Первые спектрографы использовали фотобумагу в качестве детектора. Растительный пигмент фитохром был открыт с помощью спектрографа, который использовал живые растения в качестве детектора. Более поздние спектрографы используют электронные детекторы, такие как ПЗС , которые могут использоваться как для видимого, так и для УФ- света. Точный выбор детектора зависит от длины волны света, который необходимо зарегистрировать.
Спектрограф иногда называют полихроматором по аналогии с монохроматором .
Спектральная классификация звезд и открытие главной последовательности , закона Хаббла и последовательности Хаббла были сделаны с помощью спектрографов, которые использовали фотобумагу. Космический телескоп Джеймса Уэбба содержит как ближний инфракрасный спектрограф ( NIRSpec ), так и средний инфракрасный спектрограф ( MIRI ).
Спектрограф на основе эшелле использует две дифракционные решетки , повернутые на 90 градусов относительно друг друга и расположенные близко друг к другу. Поэтому используется точка входа, а не щель, и ПЗС-чип записывает спектр. Обе решетки имеют большой интервал, и одна из них засвечена так , что виден только первый порядок, а другая засвечена многими видимыми высшими порядками, поэтому на ПЗС представлен очень тонкий спектр.
В обычных спектрографах щель вставляется в луч, чтобы ограничить протяженность изображения в направлении дисперсии. Бесщелевой спектрограф опускает щель; это приводит к изображениям, которые сворачивают информацию изображения со спектральной информацией вдоль направления дисперсии. Если поле недостаточно разрежено, то спектры из разных источников в поле изображения будут перекрываться. Сделка заключается в том, что бесщелевые спектрографы могут создавать спектральные изображения гораздо быстрее, чем сканирование обычного спектрографа. Это полезно в таких приложениях, как физика Солнца , где важна эволюция во времени.
Спектрометр — это общий термин для описания комбинации спектрального аппарата с одним или несколькими детекторами для измерения интенсивности одной или нескольких спектральных полос.
