Монохроматор — оптическое устройство , передающее механически выбираемую узкую полосу длин волн света или другого излучения, выбранную из более широкого диапазона длин волн, доступных на входе. Название происходит от греческого mono- 'единичный' chroma 'цвет' и латинского -ator 'обозначающий агент'.
Устройство, которое может производить монохроматический свет, имеет множество применений в науке и оптике, поскольку многие оптические характеристики материала зависят от длины волны. Хотя существует ряд полезных способов выбора узкой полосы длин волн (которая в видимом диапазоне воспринимается как чистый цвет), не так много других способов легко выбрать любую полосу длин волн из широкого диапазона. Ниже приведено обсуждение некоторых применений монохроматоров.
В жесткой рентгеновской и нейтронной оптике кристаллические монохроматоры используются для определения волновых условий на приборах.
Монохроматор может использовать либо явление оптической дисперсии в призме , либо явление дифракции с использованием дифракционной решетки для пространственного разделения цветов света. Обычно он имеет механизм для направления выбранного цвета на выходную щель. Обычно решетка или призма используются в отражательном режиме. Отражательная призма изготавливается путем изготовления прямоугольной призмы (обычно половины равносторонней призмы) с одной зеркальной стороной. Свет входит через гипотенузную грань и отражается обратно через нее, дважды преломляясь на одной и той же поверхности. Полное преломление и полное рассеивание такие же, как если бы равносторонняя призма использовалась в режиме пропускания.
Дисперсия или дифракция поддаются контролю только в том случае, если свет коллимирован , то есть если все лучи света параллельны или практически параллельны. Источник, такой как солнце, который находится очень далеко, обеспечивает коллимированный свет. Ньютон использовал солнечный свет в своих знаменитых экспериментах . Однако в практическом монохроматоре источник света находится близко, а оптическая система в монохроматоре преобразует расходящийся свет источника в коллимированный свет. Хотя некоторые конструкции монохроматоров используют фокусирующие решетки, которым не нужны отдельные коллиматоры, большинство используют коллимирующие зеркала. Отражательная оптика предпочтительнее, поскольку она не вносит собственных дисперсионных эффектов.
Существуют конфигурации решеток/призм, которые предлагают различные компромиссы между простотой и спектральной точностью.
В общей конструкции Черни -Тернера [1] широкополосный источник освещения ( A ) направлен на входную щель ( B ). Количество световой энергии, доступной для использования, зависит от интенсивности источника в пространстве, определяемом щелью (ширина × высота) и угла приема оптической системы. Щель помещается в эффективный фокус изогнутого зеркала (коллиматора , C ) , так что свет от щели, отраженный от зеркала, коллимируется (фокусируется на бесконечности). Коллимированный свет дифрагируется на решетке ( D ) , а затем собирается другим зеркалом ( E ), которое повторно фокусирует свет, теперь уже рассеянный, на выходной щели ( F ). В призменном монохроматоре отражательная призма Литтроу занимает место дифракционной решетки, и в этом случае свет преломляется призмой.
На выходной щели цвета света распределяются (в видимом диапазоне это показывает цвета радуги). Поскольку каждый цвет достигает отдельной точки в плоскости выходной щели, существует ряд изображений входной щели, сфокусированных на плоскости. Поскольку входная щель имеет конечную ширину, части соседних изображений перекрываются. Свет, выходящий из выходной щели ( F ), содержит все изображение входной щели выбранного цвета плюс части изображений входной щели соседних цветов. Вращение рассеивающего элемента заставляет полосу цветов перемещаться относительно выходной щели, так что желаемое изображение входной щели центрируется на выходной щели. Диапазон цветов, выходящих из выходной щели, является функцией ширины щелей. Ширина входной и выходной щелей регулируется вместе.
Идеальная передаточная функция такого монохроматора имеет треугольную форму. Пик треугольника находится на номинальной выбранной длине волны, так что изображение выбранной длины волны полностью заполняет выходную щель. Затем интенсивность соседних цветов линейно уменьшается по обе стороны от этого пика, пока не будет достигнуто некоторое пороговое значение, где интенсивность перестает уменьшаться. Это называется уровнем рассеянного света . Уровень отсечки обычно составляет около одной тысячной пикового значения или 0,1%.
Спектральная ширина полосы определяется как ширина треугольника в точках, где свет достигает половины максимального значения ( полная ширина на половине максимума , сокращенно FWHM). Типичная спектральная ширина полосы может быть равна одному нанометру; однако, могут быть выбраны другие значения для удовлетворения потребностей анализа. Более узкая полоса пропускания улучшает разрешение, но также снижает отношение сигнал/шум. [2]
Дисперсия монохроматора характеризуется как ширина полосы цветов на единицу ширины щели, например, 1 нм спектра на мм ширины щели. Этот фактор постоянен для решетки, но изменяется с длиной волны для призмы. Если сканирующий призменный монохроматор используется в режиме постоянной полосы пропускания, ширина щели должна изменяться при изменении длины волны. Дисперсия зависит от фокусного расстояния, порядка решетки и разрешающей способности решетки.
Диапазон настройки монохроматора может охватывать видимый спектр и некоторую часть обоих или одного из близлежащих ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) спектров, хотя монохроматоры изготавливаются для самых разных оптических диапазонов и во множестве конструкций.
Обычно два монохроматора соединяются последовательно, а их механические системы работают в тандеме, так что они оба выбирают один и тот же цвет. Такое расположение не предназначено для улучшения узости спектра, а скорее для снижения уровня отсечки. Двойной монохроматор может иметь отсечку около одной миллионной пикового значения, произведения двух отсечек отдельных секций. Интенсивность света других цветов в выходном луче называется уровнем рассеянного света и является наиболее важной характеристикой монохроматора для многих применений. Достижение низкого уровня рассеянного света является большой частью искусства создания практического монохроматора.
Решетчатые монохроматоры рассеивают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение, как правило, с помощью реплик решеток, которые изготавливаются из мастер-решетки. Мастер-решетка состоит из твердой, оптически плоской поверхности, которая имеет большое количество параллельных и близко расположенных канавок. Изготовление мастер-решетки — это долгий и дорогой процесс, поскольку канавки должны быть одинакового размера, строго параллельны и равномерно распределены по длине решетки (3–10 см). Решетка для ультрафиолетовой и видимой области обычно имеет 300–2000 канавок/мм, однако наиболее распространенным является 1200–1400 канавок/мм. Для инфракрасной области решетки обычно имеют 10–200 канавок/мм. [3] При использовании дифракционной решетки необходимо соблюдать осторожность при проектировании широкополосных монохроматоров, поскольку дифракционная картина имеет перекрывающиеся порядки. Иногда широкополосные преселекторные фильтры вставляются в оптический путь, чтобы ограничить ширину дифракционных порядков, чтобы они не перекрывались. Иногда это делается с использованием призмы в качестве одного из монохроматоров конструкции двойного монохроматора.
Первоначальные дифракционные решетки высокого разрешения были линейчатыми. Создание высококачественных линейчатых двигателей было большой задачей (а также чрезвычайно сложной в прошлые десятилетия), и хорошие решетки были очень дорогими. Наклон треугольной канавки в линейчатой решетке обычно регулируется для повышения яркости определенного порядка дифракции. Это называется бликованием решетки. Линейчатые решетки имеют недостатки, которые производят слабые «призрачные» порядки дифракции, которые могут повысить уровень рассеянного света монохроматора. Более поздняя фотолитографическая технология позволяет создавать решетки из голографической интерференционной картины. Голографические решетки имеют синусоидальные канавки и поэтому не такие яркие, но имеют более низкие уровни рассеянного света, чем линейчатые решетки. Почти все решетки, фактически используемые в монохроматорах, являются тщательно изготовленными копиями линейчатых или голографических мастер-решеток.
Призмы имеют более высокую дисперсию в УФ- области. Призматические монохроматоры предпочтительны в некоторых приборах, которые в основном предназначены для работы в дальней УФ-области. Однако большинство монохроматоров используют решетки. Некоторые монохроматоры имеют несколько решеток, которые можно выбрать для использования в различных спектральных областях. Двойной монохроматор, изготовленный путем последовательного размещения призмы и решетчатого монохроматора, обычно не нуждается в дополнительных полосовых фильтрах для изоляции одного порядка решетки.
Узость полосы цветов, которую может генерировать монохроматор, связана с фокусным расстоянием коллиматоров монохроматора. Использование оптической системы с большим фокусным расстоянием также, к сожалению, уменьшает количество света, которое может быть принято от источника. Монохроматоры с очень высоким разрешением могут иметь фокусное расстояние 2 метра. Создание таких монохроматоров требует исключительного внимания к механической и термической стабильности. Для многих приложений монохроматор с фокусным расстоянием около 0,4 метра считается имеющим превосходное разрешение. Многие монохроматоры имеют фокусное расстояние менее 0,1 метра.
Наиболее распространенная оптическая система использует сферические коллиматоры и, таким образом, содержит оптические аберрации, которые искривляют поле, в котором фокусируются изображения щелей, так что щели иногда искривляются, а не просто прямые, чтобы приблизиться к кривизне изображения. Это позволяет использовать более высокие щели, собирая больше света, при этом по-прежнему достигая высокого спектрального разрешения. Некоторые конструкции используют другой подход и используют тороидальные коллимирующие зеркала для исправления кривизны вместо этого, позволяя использовать более высокие прямые щели без ущерба для разрешения.
Монохроматоры часто калибруются в единицах длины волны. Равномерное вращение решетки производит синусоидальное изменение длины волны, которое приблизительно линейно для малых углов решетки, поэтому такой инструмент легко построить. Однако многие из основных физических явлений, которые изучаются, линейны по энергии, и поскольку длина волны и энергия фотона имеют обратную связь, спектральные паттерны, которые просты и предсказуемы при построении в виде функции энергии, искажаются при построении в виде функции длины волны. Некоторые монохроматоры калибруются в единицах обратных сантиметров или некоторых других единицах энергии, но шкала может быть нелинейной.
Спектрофотометр , оснащенный высококачественным двойным монохроматором, может производить свет достаточной чистоты и интенсивности, чтобы прибор мог измерять узкую полосу оптического ослабления примерно в один миллион раз (6 AU, единиц поглощения).
Монохроматоры используются во многих оптических измерительных приборах и в других приложениях, где требуется настраиваемый монохроматический свет. Иногда монохроматический свет направляется на образец, а отраженный или прошедший свет измеряется. Иногда белый свет направляется на образец, а монохроматор используется для анализа отраженного или прошедшего света. Во многих флуориметрах используются два монохроматора ; один монохроматор используется для выбора длины волны возбуждения, а второй монохроматор используется для анализа испускаемого света.
Автоматический сканирующий спектрометр включает в себя механизм для изменения длины волны, выбранной монохроматором, и для регистрации полученных изменений измеряемой величины в зависимости от длины волны.
Если устройство формирования изображения заменяет выходную щель, результатом является базовая конфигурация спектрографа . Эта конфигурация позволяет одновременно анализировать интенсивности широкой полосы цветов. Фотопленка или массив фотодетекторов могут использоваться, например, для сбора света. Такой прибор может регистрировать спектральную функцию без механического сканирования, хотя могут быть компромиссы с точки зрения разрешения или чувствительности, например.
Абсорбционный спектрофотометр измеряет поглощение света образцом как функцию длины волны. Иногда результат выражается в процентах пропускания, а иногда в виде обратного логарифма пропускания. Закон Бера-Ламберта связывает поглощение света с концентрацией поглощающего свет материала, длиной оптического пути и внутренним свойством материала, называемым молярной поглощательной способностью. Согласно этому соотношению уменьшение интенсивности экспоненциально по концентрации и длине пути. Уменьшение линейно по этим величинам при использовании обратного логарифма пропускания. Старая номенклатура для этого значения была оптической плотностью (OD), текущая номенклатура — единицы поглощения (AU). Одна AU — это десятикратное уменьшение интенсивности света. Шесть AU — это миллионное уменьшение.
Абсорбционные спектрофотометры часто содержат монохроматор для подачи света на образец. Некоторые абсорбционные спектрофотометры имеют возможности автоматического спектрального анализа.
Абсорбционные спектрофотометры имеют множество повседневных применений в химии, биохимии и биологии. Например, они используются для измерения концентрации или изменения концентрации многих веществ, поглощающих свет. Критические характеристики многих биологических материалов, например, многих ферментов, измеряются путем запуска химической реакции, которая вызывает изменение цвета, зависящее от присутствия или активности изучаемого материала. [4] Оптические термометры были созданы путем калибровки изменения поглощения материала в зависимости от температуры. Есть много других примеров.
Спектрофотометры используются для измерения зеркального отражения зеркал и диффузного отражения цветных объектов. Они используются для характеристики производительности солнцезащитных очков, очков для защиты от лазерного излучения и других оптических фильтров . Существует множество других примеров.
В УФ, видимом и ближнем ИК, абсорбционных и отражательных спектрофотометрах образец обычно освещается монохроматическим светом. В соответствующих ИК-приборах монохроматор обычно используется для анализа света, исходящего от образца.
Монохроматоры также используются в оптических приборах, которые измеряют другие явления, помимо простого поглощения или отражения, где цвет света является существенной переменной. Например, спектрометры кругового дихроизма содержат монохроматор.
Лазеры производят свет, который гораздо более монохроматичен, чем обсуждаемые здесь оптические монохроматоры, но только некоторые лазеры легко настраиваются, и эти лазеры не так просты в использовании.
Монохроматический свет позволяет измерять квантовую эффективность (QE) устройства формирования изображения (например, ПЗС или КМОП-устройства формирования изображения). Свет из выходной щели передается либо через диффузоры, либо через интегрирующую сферу на устройство формирования изображения, в то время как калиброванный детектор одновременно измеряет свет. Координация устройства формирования изображения, калиброванного детектора и монохроматора позволяет вычислить носители (электроны или дырки), генерируемые для фотона заданной длины волны, QE.
Медиа, связанные с монохроматорами на Wikimedia Commons