Optický spektrometr - Optical spectrometer

Schéma mřížkového spektrometru
Vnitřní struktura mřížkového spektrometru: Světlo vychází z levé strany a na horní střední reflexní mřížce se rozptyluje. Vlnová délka světla je pak vybrána štěrbinou v pravém horním rohu.

Optický spektrometr ( spektrofotometr , spektrograf nebo spektroskop ) je přístroj používaný k měření vlastností světla přes určitou část elektromagnetického spektra , obvykle používané v spektroskopické analýze k identifikaci materiálů. Měřenou veličinou je nejčastěji intenzita světla, ale může to být například také stav polarizace . Nezávislou proměnnou je obvykle vlnová délka světla nebo jednotka přímo úměrná energii fotonu , například reciproční centimetry nebo elektronvolty , která má vzájemný vztah k vlnové délce.

Spektrometr je používán ve spektroskopii pro výrobu spektrální čáry a měření jejich vlnové délky a intenzity. Spektrometry mohou pracovat v širokém rozsahu neoptických vlnových délek, od gama paprsků a rentgenových paprsků až po vzdálené infračervené záření . Pokud je přístroj určen k měření spektra v absolutním měřítku, nikoli v relativním měřítku , pak se obvykle nazývá spektrofotometr . Většina spektrofotometrů se používá ve spektrálních oblastech poblíž viditelného spektra.

Obecně bude jakýkoli konkrétní nástroj pracovat na malé části tohoto celkového rozsahu kvůli různým technikám používaným k měření různých částí spektra. Pod optickými frekvencemi (tj. Při mikrovlnných a rádiových frekvencích) je spektrální analyzátor blízce příbuzným elektronickým zařízením.

Spektrometry se používají v mnoha oblastech. Například se používají v astronomii k analýze záření z objektů a odvození jejich chemického složení. Spektrometr používá k rozložení světla do spektra hranol nebo mřížku. To umožňuje astronomům detekovat mnoho chemických prvků pomocí jejich charakteristických spektrálních čar. Tyto čáry jsou pojmenovány podle prvků, které je způsobují, jako jsou linie vodíku alfa , beta a gama. Zářící objekt zobrazí jasné spektrální čáry. Tmavé čáry jsou vytvářeny absorpcí, například světlem procházejícím oblakem plynu, a tyto absorpční čáry mohou také identifikovat chemické sloučeniny. Většina našich znalostí o chemickém složení vesmíru pochází ze spekter.

Spektroskopy

Spektroskop
Spektrometr.jpg
Ostatní jména Spektrograf
Související zboží Hmotnostní spektrograf
Porovnání různých spektrometrů založených na difrakci: Reflexní optika, refrakční optika, vláknová/integrovaná optika

Spektroskopy se často používají v astronomii a některých oborech chemie . Rané spektroskopy byly jednoduše hranoly s odstupňováním označujícími vlnové délky světla. Moderní spektroskopy obecně používají difrakční mřížku , pohyblivou štěrbinu a nějaký druh fotodetektoru , vše automatizované a řízené počítačem .

Joseph von Fraunhofer vyvinul první moderní spektroskop kombinací hranolu, difrakční štěrbiny a dalekohledu způsobem, který zvýšil spektrální rozlišení a byl reprodukovatelný v jiných laboratořích. Fraunhofer také vynalezl první difrakční spektroskop. Gustav Robert Kirchhoff a Robert Bunsen objevili aplikaci spektroskopů na chemickou analýzu a použili tento přístup k objevu cesia a rubidia . Kirchhoffova a Bunsenova analýza také umožnila chemické vysvětlení hvězdných spekter , včetně Fraunhoferových linií .

Když se materiál zahřeje na žhavení , vyzařuje světlo, které je charakteristické pro atomové složení materiálu. Zvláštní světelné frekvence vedou k ostře definovaným pásmům na stupnici, které lze považovat za otisky prstů. Například prvek sodíku má velmi charakteristický dvojitý žlutý pruh známý jako Sodium D-lines na 588,9950 a 589,5924 nanometrech, jejichž barvu bude znát každý, kdo viděl nízkotlakou sodíkovou výbojku .

V původním designu spektroskopu na počátku 19. století světlo vstoupilo do štěrbiny a kolimační čočka přeměnila světlo na tenký paprsek rovnoběžných paprsků. Světlo pak prošlo hranolem (v ručních spektroskopech, obvykle Amiciho ​​hranolu ), který lomil paprsek do spektra, protože různé vlnové délky byly lámány různými množstvími kvůli disperzi . Tento obraz byl poté viděn trubicí se stupnicí, která byla transponována na spektrální obraz, což umožňovalo jeho přímé měření.

S vývojem fotografického filmu byl vytvořen přesnější spektrograf . Byl založen na stejném principu jako spektroskop, ale místo pozorovací trubice měl kameru. V posledních letech nahradily kameru elektronické obvody postavené kolem fotonásobiče , což umožňuje spektrografickou analýzu v reálném čase s mnohem větší přesností. Pole fotosenzorů se také používají místo filmu ve spektrografických systémech. Taková spektrální analýza nebo spektroskopie se stala důležitým vědeckým nástrojem pro analýzu složení neznámého materiálu a pro studium astronomických jevů a testování astronomických teorií.

V moderních spektrografech ve spektrálních rozsazích ultrafialového, viditelného a blízkého infračerveného záření je spektrum obecně udáváno ve formě počtu fotonů na jednotku vlnové délky (nm nebo μm), vlnového čísla (μm −1 , cm −1 ), frekvence (THz ), nebo energie (eV), s jednotkami označenými úsečkou . Ve středním až dalekém IR jsou spektra obvykle vyjádřena v jednotkách wattů na jednotku vlnové délky (μm) nebo vlnového čísla (cm −1 ). V mnoha případech je spektrum zobrazeno s implikovanými jednotkami vlevo (například „digitální počty“ na spektrální kanál).

Porovnání čtyř typů úseček obvykle používaných pro viditelné spektrometry.
Porovnání čtyř typů úseček obvykle používaných pro infračervené spektrometry.

Spektrografy

Velmi jednoduchý spektroskop založený na hranolu
KMOS spektrograf.
Horizontální sluneční spektrograf na Českém astronomickém ústavu v Ondřejově, Česká republika

Spektrograf je nástroj, který odděluje světlo podle jeho vlnových délek a zaznamenává tato data. Spektrograf má obvykle vícekanálový detekční systém nebo kameru, která detekuje a zaznamenává spektrum světla.

Termín poprvé použil v roce 1876 Dr. Henry Draper, když vynalezl nejstarší verzi tohoto zařízení a kterou použil k pořízení několika fotografií spektra Vegy . Tato nejstarší verze spektrografu byla těžkopádná a obtížně se ovládala.

Existuje několik druhů strojů označovaných jako spektrografy , v závislosti na přesné povaze vln. První spektrografy používaly jako detektor fotografický papír . Rostlinný pigmentový fytochrom byl objeven pomocí spektrografu, který jako detektor používal živé rostliny. Novější spektrografy používají elektronické detektory, jako jsou CCD, které lze použít pro viditelné i ultrafialové světlo. Přesný výběr detektoru závisí na vlnových délkách světla, které má být zaznamenáno.

Spektrografu se někdy říká polychromátor , jako analogie monochromátoru .

Hvězdný a sluneční spektrograf

Spektrální klasifikace hvězd a objev hlavní sekvence , Hubblův zákon a Hubbleova sekvence byly vyrobeny pomocí spektrografů, které používaly fotografický papír. Připravovaný vesmírný teleskop Jamese Webba bude obsahovat jak blízký infračervený spektrograf ( NIRSpec ), tak střední infračervený spektrograf ( MIRI ).

Spektrograf Echelle

ECHELLE spektrograf využívá dva difrakční mřížky , otočený o 90 stupňů vzhledem k sobě a umístěny blízko sebe. Proto se používá vstupní bod a ne štěrbina a 2d CCD čip zaznamenává spektrum. Obvykle by člověk hádal, že získá spektrum na diagonále, ale když mají obě mřížky široký rozestup a jeden je vyzařován tak, že je vidět pouze první řád a druhý je vyplašen, že je vidět mnoho vyšších řádů, jeden získá velmi jemné spektrum pěkně složené na malý běžný CCD čip. Malý čip také znamená, že kolimační optika nemusí být optimalizována pro kóma nebo astigmatismus, ale sférickou aberaci lze nastavit na nulu.

Viz také

Reference

Bibliografie

externí odkazy

Optický spektrometr v Curlie