Оптический спектрометр - Википедия - Optical spectrometer

Для более широкого освещения этой темы см. Фотометрия (оптика).
«Спектрограф» перенаправляется сюда. Не следует путать с Спектрограмма.
Схема решеточного спектрометра
Внутренняя структура решетчатого спектрометра: свет исходит с левой стороны и дифрагирует на верхней средней отражающей решетке. Затем длина волны света выбирается с помощью щели в правом верхнем углу.

An оптический спектрометр (спектрофотометр, спектрограф или же спектроскоп) - это инструмент, используемый для измерения свойств свет над определенной частью электромагнитный спектр, обычно используется в спектроскопический анализ для идентификации материалов.[1] Измеряемая переменная - это чаще всего свет интенсивность но может также, например, быть поляризация государственный. Независимой переменной обычно является длина волны света или единицы, прямо пропорциональной фотон энергия, такая как обратные сантиметры или же электрон-вольт, которая обратно пропорциональна длине волны.

А спектрометр используется в спектроскопия для производства спектральные линии и измерения их длины волн и интенсивности. Спектрометры также могут работать в широком диапазоне неоптических длин волн, от гамма излучение и Рентгеновские лучи в дальний инфракрасный. Если прибор предназначен для измерения спектра в абсолютные единицы скорее, чем относительные единицы, то его обычно называют спектрофотометр. Большинство спектрофотометров используются в спектральных областях около видимого спектра.

В общем, любой конкретный инструмент будет работать в небольшой части этого общего диапазона из-за различных методов, используемых для измерения разных частей спектра. Ниже оптических частот (то есть при микроволновая печь и радио частоты), анализатор спектра является тесно связанным электронным устройством.

Спектрометры используются во многих областях. Например, они используются в астрономии для анализа излучения астрономических объектов и определения химического состава. Спектрометр использует призму или решетку для распределения света от удаленного объекта в спектр. Это позволяет астрономам обнаруживать многие химические элементы по их характерным спектральным отпечаткам. Если объект светится сам по себе, он покажет спектральные линии, вызванные самим светящимся газом. Эти линии названы в честь элементов, которые их вызывают, таких как альфа-, бета- и гамма-линии водорода. Химические соединения также можно идентифицировать по абсорбции. Обычно это темные полосы в определенных местах спектра, вызванные поглощением энергии при прохождении света от других объектов через газовое облако. Большая часть наших знаний о химическом составе Вселенной основана на спектрах.

Спектроскопы

Спектроскоп
Spektrometr.jpg
Другие именаСпектрограф
Похожие материалыМасс-спектрограф
Сравнение различных дифракционных спектрометров: оптика отражения, оптика преломления, волоконная / интегрированная оптика.[нужна цитата ]

Спектроскопы часто используются в астрономия и некоторые отрасли химия. Ранние спектроскопы были просто призмы с градуировкой, обозначающей длину волны света. Современные спектроскопы обычно используют дифракционная решетка, подвижный разрез, и какой-то фотоприемник, все автоматизировано и контролируется компьютер.

Йозеф фон Фраунгофер разработал первый современный спектроскоп, объединив призму, дифракционную щель и телескоп таким образом, чтобы увеличивать спектральное разрешение и воспроизводиться в других лабораториях. Фраунгофер также изобрел первый дифракционный спектроскоп.[2] Густав Роберт Кирхгоф и Роберт Бунзен открыл применение спектроскопов в химическом анализе и использовал этот подход для открытия цезий и рубидий.[3][4] Анализ Кирхгофа и Бунзена также позволил химическое объяснение звездные спектры, включая Линии фраунгофера.[5]

Когда материал нагревается до накал он излучает свет Это характерно для атомного состава материала. Определенные световые частоты приводят к появлению четко определенных полос на шкале, которые можно рассматривать как отпечатки пальцев. Например, элемент натрий имеет очень характерную двойную желтую полосу, известную как D-линии натрия на 588,9950 и 589,5924 нанометрах, цвет которых будет знаком каждому, кто видел низкое давление натриевая лампа.

В оригинальной конструкции спектроскопа в начале 19 века свет попадал в щель и коллимирующая линза превратили свет в тонкий луч параллельных лучей. Затем свет проходил через призму (в портативных спектроскопах, обычно Призма амичи ) который преломленный луч в спектр, потому что разные длины волн преломлялись по-разному из-за разброс. Затем это изображение просматривали через трубку со шкалой, которая была перенесена на спектральное изображение, что позволяло проводить его прямое измерение.

С развитием фотопленка, тем точнее спектрограф был создан. Он был основан на том же принципе, что и спектроскоп, но имел камеру вместо смотровой трубы. В последние годы электронные схемы, построенные на основе фотоумножитель Трубка заменила камеру, что позволяет 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, 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), частота (ТГц) или энергия (эВ), единицы измерения обозначены абсцисса. В среднем и дальнем ИК-диапазоне спектры обычно выражаются в ваттах на единицу длины волны (мкм) или волновом числе (см−1). Во многих случаях спектр отображается с оставленными подразумеваемыми единицами (например, «цифровыми счетчиками» на спектральный канал).

Сравнение четырех типов абсцисс, обычно используемых для спектрометров видимого диапазона.
Сравнение четырех типов абсцисс, обычно используемых для инфракрасных спектрометров.

Спектрографы

Очень простой спектроскоп на основе призмы
В КМОС спектрограф.[6]
Горизонтальный солнечный спектрограф в Чешском астрономическом институте в Ондржейове, Чешская Республика

Спектрограф - это инструмент, который разделяет свет по длинам волн и записывает эти данные.[7] Спектрограф обычно имеет многоканальную детекторную систему или камеру, которая обнаруживает и записывает спектр света.[7][8]

Термин был впервые использован в 1876 г. Доктор Генри Дрейпер когда он изобрел самую раннюю версию этого устройства, и который он использовал, чтобы сделать несколько снимков спектра Вега. Эта самая ранняя версия спектрографа была громоздкой в ​​использовании и сложной в управлении.[9]

Есть несколько видов машин, называемых спектрографыв зависимости от точного характера волн. Первые использованные спектрографы фотобумага как детектор. Пигмент растений 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 который может использоваться как для видимых, так и для УФ свет. Точный выбор детектора зависит от длины волны регистрируемого света.

Спектрограф иногда называют полихроматор, по аналогии с монохроматор.

Звездный и солнечный спектрограф

Звезда спектральная классификация и открытие главная последовательность, Закон Хаббла и Последовательность Хаббла все были сделаны с помощью спектрографов на фотобумаге. Предстоящий Космический телескоп Джеймса Уэбба будет содержать как спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec ) и спектрограф среднего инфракрасного диапазона (МИРИ ).

Спектрограф Echelle

An Спектрограф Echelle использует два дифракционные решетки, повернутые на 90 градусов друг относительно друга и размещенные близко друг к другу. Следовательно, используется точка входа, а не щель, и 2d CCD-чип записывает спектр. Обычно можно догадаться получить спектр по диагонали, но когда обе решетки имеют большой интервал, а одна пылал так что виден только первый порядок, а другой виден, что видно много более высоких порядков, получается очень тонкий спектр, красиво сложенный на небольшом общем ПЗС-чипе. Небольшой чип также означает, что коллимирующую оптику не нужно оптимизировать для работы в коме или астигматизма, но сферическая аберрация можно установить на ноль.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Батлер, Л. Р. П .; Лакуа, К. (1995). «Номенклатура, символы, единицы измерения и их использование в спектрохимическом анализе-IX. Приборы для спектральной дисперсии и выделения оптического излучения (Рекомендации IUPAC 1995)». Pure Appl. Chem. 67 (10): 1725–1744. Дои:10.1351 / pac199567101725. S2CID  94991425. Спектрометр - это общий термин для описания комбинации спектрального устройства с одним или несколькими детекторами для измерения интенсивности одной или нескольких спектральных полос.
  2. ^ Бренд, Джон С. Д. (1995). Линии света: источники дисперсионной спектроскопии, 1800–1930 гг.. Издательство Gordon and Breach. С. 37–42. ISBN  978-2884491624.
  3. ^ Недели, Мэри Эльвира (1932). «Открытие элементов. XIII. Некоторые спектроскопические открытия». Журнал химического образования. 9 (8): 1413–1434. Bibcode:1932JChEd ... 9.1413W. Дои:10.1021 / ed009p1413.
  4. ^ "Роберт Бунзен". информация. Pearson Education. 2007. Получено 2011-11-21.
  5. ^ Марка 1995, п. 63
  6. ^ «Новый мощный прибор VLT прибывает в Чили». Объявление ESO. Получено 11 октября 2012.
  7. ^ а б Спектрометр, спектроскоп и спектрограф Выдержка из полевого руководства по спектроскопии
  8. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "спектрограф ". Дои:10.1351 / goldbook.S05836
  9. ^ Джордж Баркер, Воспоминания Генри Дрейпера, 1837-1882 гг. (PDF), п. 103

Библиография

внешняя ссылка

Оптический спектрометр в Керли