Un espectrómetro separa una fuente de luz entrante en sus componentes espectrales, mientras mide la intensidad de luz saliente emitida por una sustancia en un amplio rango espectral. La luz incidente de la fuente de luz puede transmitirse, absorberse o reflejarse a través de la muestra. Se utiliza ampliamente para el análisis espectroscópico de materiales muestrales.
Un monocromador produce un haz de luz con un ancho de banda extremadamente estrecho, o luz de un solo color. Se utiliza en instrumentos ópticos de medición donde se busca luz monocromática sintonizable.
Un espectrógrafo divide la luz de un objeto en sus longitudes de onda componentes para que pueda ser registrada y analizada. Proporciona una imagen del ancho de banda y longitud de onda definidos. Un espectrógrafo incluye algunos medios, como un detector electrónico, para registrar el espectro para su análisis.
Los sistemas monocromadores y espectrómetros forman una imagen de la rendija de entrada en el plano de salida en las longitudes de onda presentes en la fuente de luz. Existen numerosas configuraciones para lograr esto; solo se discuten los más comunes en este documento, incluyendo los Sistemas de Rejilla de Plano (PGS) y los sistemas de Rejilla Hológráfica Corregida por Aberraciones (ACHG).
Definiciones:
L A- longitud del brazo de entrada
L B- longitud del brazo de salida
h - altura de la rendija de entrada
H' - altura de la imagen de la rendija de entrada
α - ángulo de incidencia
β - ángulo de difracción
w - ancho de la rendija de entrada
w' - imagen del ancho de la rendija de entrada
D g- diámetro de una rejilla circular
W g- ancho de una rejilla rectangular
H g- altura de una rejilla rectangular
Un instrumento Fastie-Ebert consta de un gran espejo esférico y una rejilla de difracción plana.
Un instrumento Fastie-Ebert consta de un gran espejo esférico y una red de difracción plana (véase Fig. 9).
Una parte del espejo primero colima la luz que caerá sobre la rejilla plana. Una parte separada del espejo enfoca entonces la luz dispersa de la rejilla en imágenes de la rendija de entrada en el plano de salida.
El monocromador Czerny-Turner (CZ) consta de dos espejos cóncavos y una red planar de difracción. Utilizando una geometría asimétrica, se puede diseñar una configuración de Czerny-Turner para producir un campo espectral aplanado y una buena corrección de coma a una longitud de onda.
El monocromador de Czerny-Turner (CZ) consta de dos espejos cóncavos y una red plana de difracción (véase Fig. 10).
Aunque los dos espejos funcionan en las mismas capacidades separadas que el espejo esférico único de la configuración Fastie-Ebert, es decir, primero colimando la fuente de luz (espejo 1) y segundo, enfocando la luz dispersa de la rejilla (espejo 2), la geometría de los espejos en la configuración de Czerny-Turner es flexible.
Utilizando una geometría asimétrica, se puede diseñar una configuración de Czerny-Turner para producir un campo espectral aplanado y una buena corrección de coma a una longitud de onda. La aberración esférica y el astigmatismo permanecerán en todas las longitudes de onda.
También es posible diseñar un sistema que pueda acomodar ópticas muy grandes.
CZ Monocromator: Emite luz monocromática estrecha a través de la rendija.
En el diseño común de Czerny-Turner, la fuente de iluminación de banda ancha (A) está orientada hacia una rendija de entrada (B). La cantidad de energía lumínica disponible para su uso depende de la intensidad de la fuente en el espacio definido por la rendija (ancho x altura) y del ángulo de aceptación del sistema óptico. La ranura se coloca en el foco efectivo de un espejo curvo (el colimador, C) de modo que la luz de la ranura reflejada por el espejo queda colimada (enfocada en el infinito). La luz colimada se difracta de la rejilla (D) y luego es recogida por otro espejo (E) que reenfoca la luz, ahora dispersa, en la rendija de salida (F).
CZ Monocromator: Emite luz monocromática estrecha a través de la rendija.
Espectrógrafo CZ: En lugar de usar una ranura en la rendija de salida, se colocará un detector de matriz en la ranura de salida; en este caso, el espectrógrafo cubrirá un cierto rango espectral de una sola vez.
Espectrógrafo CZ: En lugar de usar una ranura en la rendija de salida, se colocará un detector de matriz en la ranura de salida; en este caso, el espectrógrafo cubrirá un cierto rango espectral de una sola vez.
Los espectrómetros PGS presentan ciertas aberraciones que degradan la resolución espectral, la resolución espacial o la relación señal-ruido. Los más significativos son el astigmatismo, el coma, la aberración esférica y la desenfocación. Los sistemas PGS se usan fuera del eje, por lo que las aberraciones serán diferentes en cada plano. No entra en el ámbito de este documento revisar los conceptos y detalles de estas aberraciones, (4) sin embargo, es útil entender el concepto de Diferencia de Trayectoria Óptica (OPD) al considerar los efectos de las aberraciones.
Básicamente, un OPD es la diferencia entre un frente de onda real producido y un "frente de onda de referencia" que se obtendría si no hubiera aberraciones. Este frente de onda de referencia es una esfera centrada en la imagen, o un plano si la imagen está en el infinito.
Por ejemplo: El desenfoque hace que los rayos encuentren un foco fuera de la superficie del detector, produciendo una imagen borrosa que degradará la banda pasa-banda, la resolución espacial y la relación señal-ruido óptico. Un buen ejemplo podría ser el espejo iluminador de frente de onda esférico M1 en la Fig. 10. El desenfoque no debería ser un problema en un monocromador PGS usado con una sola rendija de salida y un detector PMT. Sin embargo, en un PGS sin corregir existe una curvatura de campo que mostraría el desenfoque hacia los extremos de una matriz de diodos lineales planar. Las configuraciones de CZ corregidas geométricamente, como la mostrada en la Fig. 10, casi eliminan el problema. El OPD debido al desenfoque varía como el cuadrado de la apertura numérica.
El coma es el resultado de la geometría fuera del eje de un PGS y se observa como un desenfoque de los rayos en el plano de dispersión que agranda la base en un lado de una línea espectral.
La coma es el resultado de la geometría fuera del eje de un PGS y se observa como un desequilibrio de los rayos en el plano de dispersión que agranda la base en un lado de una línea espectral, como se muestra en la Fig. 13. La coma puede ser responsable tanto de la degradación de la relación señal-ruido como de la señal-ruido óptica. La OPD debida al coma varía según el cubo de la apertura numérica. El coma puede corregirse en una longitud de onda en una zona de convivencia calculando una geometría de funcionamiento adecuada, como se muestra en la Fig. 13.
La aberración esférica es el resultado de rayos que emanan desde el centro de una superficie óptica y que no encuentran el mismo punto focal que los del centro.
La aberración esférica es el resultado de rayos que emanan desde el centro de una superficie óptica y no encuentran el mismo punto focal que los del centro (véase Fig. 14). La OPD debido a la aberración esférica varía con la cuarta potencia de la apertura numérica y no puede corregirse sin el uso de óptica asférica.
En caso de astigmatismo, un espejo esférico iluminado por una onda plana que incide en ángulo respecto a la normal presentará dos focos: el foco tangencial y el foco sagital.
El astigmatismo es característico de la geometría fuera del eje. En este caso, un espejo esférico iluminado por una onda plana que incide en ángulo respecto a la normal (como el espejo M2 en la Fig. 10) presentará dos focos: el foco tangencial, Ft, y el foco sagital, FS.
El astigmatismo tiene el efecto de tomar un punto en la rendija de entrada e imaginarlo como una línea perpendicular al plano de dispersión en la salida (véase Fig. 15), impidiendo así la resolución espacial y aumentando la altura de la rendija, con la posterior degradación de la relación señal-ruido óptico.
La DPO debida al astigmatismo varía con el cuadrado de la apertura numérica y el cuadrado del ángulo fuera del eje, y no puede corregirse sin emplear óptica asférica.
Esquema de imagen de espejos toroidales y esféricos
Un espejo toroidal corrige el astigmatismo, permitiendo que los planos focales tangencial (optimizada con la resolución) y sagital (optimizado por imagen) se crucen en el centro del plano focal.
Esto ofrece la flexibilidad de elegir entre la imagen y la optimización de resolución (con un detector CCD) seleccionando el ángulo de detección deseado. Esto hará que el espectrógrafo tenga los campos planos más grandes disponibles en un espectrógrafo de imagen.
Corrección del astigmatismo mediante espejos toroidales
Los avances recientes en la tecnología de rejillas holográficas permiten ahora la corrección completa de TODAS las aberraciones presentes en un espectrómetro CZ basado en espejo esférico en una longitud de onda, con una excelente mitigación en un amplio rango de longitudes de onda (12).
Un monocromador ACHG
Tanto los monocromadores como los espectrógrafos de este tipo utilizan una única red holográfica sin ópticas auxiliares.
En estos sistemas, la rejilla tanto enfoca como difracta la luz incidente.
Con solo una óptica en su diseño, estos dispositivos son económicos y compactos. La Fig. 18 ilustra un monocromador ACHG. La Fig. 19 ilustra un espectrógrafo ACHG en el que se establece la ubicación del plano focal mediante:
β H- Ángulo entre el plano perpendicular al espectro y la normal de la rejilla.
L H- Distancia perpendicular desde el plano espectral hasta la red.
Un espectrógrafo ACHG
De la ecuación (2),
Dv= β -α (permanece constante)
Tomando esta ecuación y ecuación (3),
*Utiliza las ecuaciones (19) y (2) para determinar α y β respectivamente.
Nota: En la práctica, la longitud de onda más alta posible está limitada por la rotación mecánica de la red. Esto significa que duplicar la densidad de ranura de la rejilla reducirá a la mitad el rango espectral.
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