Оптический спектрометр ( спектрофотометр , спектрограф или спектроскоп ) — это инструмент, используемый для измерения свойств света в определенной части электромагнитного спектра , обычно используемый в спектроскопическом анализе для идентификации материалов. [1] Измеряемой переменной чаще всего является интенсивность излучения света, но также может быть, например, состояние поляризации . Независимая переменная обычно представляет собой длину волны света или близкую к ней физическую величину, такую как соответствующее волновое число или энергия фотона , в таких единицах измерения, как сантиметры, обратные сантиметры или электронвольты 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, а не относительной шкале , его обычно называют спектрофотометром . Большинство спектрофотометров используются в спектральных областях, близких к видимому спектру.
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 разных частей спектра. Ниже оптических частот (то есть на микроволновых и радиочастотах ) анализатор спектра представляет собой тесно связанное электронное устройство.
Спектрометры используются во многих областях. Например, они используются в астрономии для анализа излучения объектов и определения их химического состава. Спектрометр использует призму или решетку для распределения света в спектр. Это позволяет астрономам обнаруживать многие химические элементы по их характерным спектральным линиям. Эти линии названы в честь элементов, которые их вызывают, таких как альфа- , бета- и гамма-линии водорода. Светящийся объект покажет яркие спектральные линии. Темные линии образуются в результате поглощения, например, света, проходящего 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, обозначающей длину волны света. Современные спектроскопы обычно используют дифракционную решетку , подвижную щель и своего рода фотодетектор , причем все это автоматизировано и контролируется компьютером . Последние достижения привели к увеличению использования вычислительных алгоритмов в ряде миниатюрных спектрометров без дифракционных решеток, например, за счет использования массивов фильтров на основе квантовых точек на ПЗС-чипе [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 увеличило спектральное разрешение и его можно было воспроизвести 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 химическое объяснение звездных спектров , включая линии Фраунгофера . [8]
Когда материал нагревается до накаливания , он излучает свет , характерный для атомного состава материала. Определенные частоты света порождают четко определенные полосы на шкале, которые можно рассматривать как отпечатки пальцев. Например, элемент натрий имеет очень характерную двойную желтую полосу, известную как D-линии натрия, на длинах волн 588,9950 и 589,5924 нанометров, цвет которой знаком каждому, кто видел натриевую лампу низкого давления .
В оригинальной конструкции спектроскопа начала XIX века свет попадал в щель, и коллимирующая линза преобразовывала его в тонкий пучок параллельных лучей. Затем свет проходил через призму (в ручных спектроскопах обычно призму Амичи ), которая преломляла луч в спектр, поскольку разные длины волн преломлялись в разной степени из-за дисперсии . Затем это изображение просматривалось через трубку со шкалой, которая была транспонирована на спектральное изображение, что позволяло его напрямую измерять.
С развитием фотопленки был создан более точный спектрограф. Он был основан на том же принципе, что и спектроскоп, но вместо зрительной трубы имел камеру. В последние годы электронные схемы, построенные вокруг фотоумножителя , заменили камеру, что позволяет проводить спектрографический анализ в реальном времени с гораздо большей точностью. Массивы фотосенсоров также используются вместо пленки в спектрографических системах. Такой спектральный анализ, или спектроскопия, стал важным научным инструментом для анализа состава неизвестного материала, изучения астрономических явлений и проверки астрономических теорий.
В современных спектрографах УФ-, видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра спектр обычно задается в виде числа фотонов на единицу длины волны (нм или мкм), волнового числа (мкм -1 , см -1 ), частоты (ТГц ), или энергия (эВ), единицы измерения указаны по оси абсцисс . В среднем и дальнем ИК-диапазоне спектры обычно выражаются в единицах Ватт на единицу длины волны (мкм) или волнового числа (см -1 ). Во многих случаях спектр отображается с оставленными подразумеваемыми единицами измерения (например, «цифровые счетчики» на спектральный канал).
Геммологи часто используют спектроскопы для определения спектров поглощения драгоценных камней, что позволяет им делать выводы о том, какой драгоценный камень они исследуют. [9] Геммолог может сравнить спектр поглощения, который он наблюдает, с каталогом спектров различных драгоценных камней, чтобы определить точную идентичность драгоценного камня.
Спектрограф — это прибор, который разделяет свет по длинам волн и записывает эти данные. [11] Спектрограф обычно имеет многоканальную детекторную систему или камеру, которая обнаруживает и записывает спектр света. [11] [12]
Этот термин был впервые использован в 1876 году доктором Генри Дрейпером , когда он изобрел самую раннюю версию этого устройства и с его помощью сделал несколько фотографий спектра Веги . Эта ранняя версия спектрографа была громоздкой в использовании и сложной в управлении. [13]
Существует несколько типов машин, называемых спектрографами , в зависимости от конкретной природы волн. Первые спектрографы использовали в качестве детектора фотобумагу . Растительный пигмент фитохром был обнаружен с помощью спектрографа, в котором в качестве детектора использовались живые растения. В более поздних спектрографах используются электронные детекторы, такие как ПЗС-матрицы , которые можно использовать как для видимого, так и для УФ- света. Точный выбор детектора зависит от длины волны регистрируемого света.
Спектрограф иногда называют полихроматором по аналогии с монохроматором .
Спектральная классификация звезд и открытие главной последовательности , закона Хаббла и последовательности Хаббла были выполнены с помощью спектрографов, использующих фотобумагу. Космический телескоп Джеймса Уэбба содержит как спектрограф ближнего инфракрасного диапазона ( NIRSpec ), так и спектрограф среднего инфракрасного диапазона ( MIRI ).
Спектрограф Эшель 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 спектр записывает ПЗС-чип. Обе решетки имеют широкий интервал, одна из которых освещена так, что виден только первый порядок, а другая - с видимыми многими более высокими порядками, поэтому на ПЗС-матрицу подается очень тонкий спектр.
В обычных спектрографах в луч вставляют щель, чтобы ограничить протяженность изображения в направлении дисперсии. В безщелевом спектрографе щель отсутствует; в результате получаются изображения, в которых информация изображения свертывается со спектральной информацией в направлении дисперсии. Если поле недостаточно разрежено, то спектры от разных источников в поле изображения будут перекрываться. Дело в том, что безщелевые спектрографы могут создавать спектральные изображения гораздо быстрее, чем сканирование обычным спектрографом. Это полезно в таких приложениях, как физика Солнца , где важна эволюция во времени.
Спектрометр — это общий термин для описания комбинации спектрального прибора с одним или несколькими детекторами для измерения интенсивности одной или нескольких спектральных полос.
Оптический спектрометр в Керли
