Monocromador PGM corregido por aberración
Una aberración óptica es una desviación del rendimiento de un sistema óptico respecto a las predicciones de la óptica paraxial. En la existencia de una aberración óptica, la luz de un punto de un objeto no converge (o no se desvía de) un único punto tras la transmisión a través del sistema. Las aberraciones ópticas se dividen en dos clases: monocromática y cromática.
La aberración cromática es un tipo de distorsión en la que la lente no logra enfocar todos los colores en el mismo punto de convergencia, debido a la dispersión de la lente (diferente índice de refracción de la lente para distintas longitudes de onda de luz).
Las aberraciones monocromáticas son causadas por la geometría del cristalino y ocurren tanto cuando la luz se refleja como cuando se refracta. Las aberraciones monocromáticas incluyen aberraciones esféricas, coma, astigmatismo y curvatura de campo y distorsión de imagen.
Aberraciones esféricas
Las lentes y espejos con forma esférica comparten este problema. Los rayos de luz paralelos que atraviesan la región central se enfocan más lejos que los que atraviesan los bordes. El resultado son muchos puntos focales, lo que produce una imagen borrosa.
Aberración del coma
Algunas aberraciones afectan a las imágenes debido a rayos fuera del eje. La imagen de una mancha parece varios cilindros descentrados, como la imagen de un "cometa", de donde proviene su nombre.
Aberración por astigmatismo
Un sistema óptico con astigmatismo es aquel en el que los rayos que se propagan en dos planos perpendiculares tienen diferentes puntos focales.
Curvatura de campo
La curvatura de campo es la aberración que hace que un objeto plano parezca curvo en la imagen.
Aberración por distorsión
La distorsión es la aberración más fácilmente reconocible, ya que deforma la imagen en su conjunto. Surge de la desigual ampliación de la parte periférica de una lente (o un espejo) respecto a la de su parte central. En la "distorsión de barril", la ampliación de imagen disminuye con la distancia al eje óptico. En la "distorsión de alfileres", la ampliación de imagen aumenta con la distancia al eje óptico.
La aberración provoca un desenfoque de la imagen producida por un sistema óptico formador de imágenes. Los fabricantes de instrumentos ópticos necesitan corregir los sistemas ópticos para compensar las aberraciones.
Para limitar el número de reflexiones sobre ópticas, las redes cóncavas se utilizan a menudo como elemento único en espectrómetros VUV.
A Rowland demostró que el espectro disperso de un punto iluminado situado sobre un círculo se enfoca en este círculo, si se respeta la siguiente disposición (véase la figura). Muchos monocromadores VUV usan este diseño.
Desafortunadamente, las rejillas sufren las aberraciones de los espejos cóncavos y otros debido a su capacidad de difracción. Trabajar en las condiciones de Rowland limita definitivamente la calidad de imagen de los instrumentos. La principal aberración aquí es el astigmatismo. Esta aberración puede tolerarse con un monocromador, ya que solo se requiere un enfoque horizontal para separar las longitudes de onda del espectro.
A la incidencia normal (orden cero, λ 3), la aberración es mínima y la imagen es recta. Cuanto más cerca están las imágenes de la rejilla, más estiradas y curvas son sus imágenes. Este estiramiento puede ser severo, depende de la posición de la imagen en el círculo de Rowland y, por tanto, de la longitud de onda observada. Esto provoca tanto pérdida de señal como de resolución, especialmente en modo espectrógrafo cuando se utilizan detectores CCD.
Rejilla en el círculo de Rowland
S: Fuente puntual (o rendija del instrumento)
λ 3: Posición de orden cero
λ 1, λ 2: Posiciones dispersas de longitud de onda λ 1 > λ 2
i: ángulo de incidencia
r: Ángulo de reflectancia
Comparación de los astigmatismos del espejo toroidal y del espejo esférico
Las imágenes espectroscópicas pueden mejorarse utilizando redes toroidales. Una rejilla toroidal es una forma de paraboloide elíptico con diferentes distancias focales verticales y horizontales. Reduce el estiramiento y la curvatura del astigmatismo.
Otro avance importante es el desarrollo de redes de Espaciado Variable de Línea (VLS).
Una rejilla VLS es aquella cuyas ranuras, al proyectarse sobre el plano tangente, forman un conjunto de líneas rectas y paralelas cuyo espaciado varía de una ranura a otra. Variar el espaciado entre surcos a lo largo de la superficie de la red mueve la curva focal tangencial, mientras que mantener las ranuras rectas y paralelas mantiene fija la curva focal sagital. Corrige la aberración esférica asociada a las redes esféricas convencionales. La técnica VLS también puede aplicarse sobre la rejilla toroidal para una corrección óptima.
Instrumento de disposición de un HORIBA PGM/PGS
En el VUV se utilizan dos tipos básicos de espectrógrafos y monocromadores: instrumentos de incidencia normal, un mejor diseño para 100-400 nm, y instrumentos de incidencia rasante para 2-100 nm.
La optimización de la corrección de imagen de las rejillas puede calcularse para obtener una mejor calidad de imagen en el eje óptico del instrumento (disposición monocromadora) o en un plano focal (disposición del espectrógrafo). En este último caso, la optimización agranda el plano focal, la rejilla del espectrógrafo funciona en posición fija y la selección del rango de longitud de onda se logra deslizando el detector en el plano focal del instrumento. La corrección es excelente en ambos casos.
La realización de una monografía real sobre VUV debe hacerse sin una rejilla toroidal. La configuración Plane Grating Spectrograph (PGS) es una de las mejores opciones. La disposición PGS funciona con un espejo toroide y una rejilla plana que funciona en ángulo rasante. También tiene la ventaja de ser una rejilla más asequible porque tienen un diseño plano.
HORIBA ofrece una serie de espectrómetros y monocromadores VUV:
El diseño de los instrumentos VUV sufre de las limitaciones de los materiales ópticos VUV. La transmisión a través de materiales a granel está limitada a λ < 105 nm, la transmisión a corta longitud de onda está limitada a LiF o λ < 115 nm para MgF 2. La configuración reflectante se utiliza en una disposición óptica VUV. Sin embargo, la reflectancia de superficies metálicas también disminuye a longitudes de onda cortas. Se introducen varios materiales de recubrimiento para aumentar la reflectividad, como Al, Os, Pt, Au, Rh e Ir. Por encima de 120 nm, el principal reflector de banda ancha para longitudes de onda VUV es Al con recubrimiento MgF 2, con una reflectividad de incidencia normal de hasta el 90% bajo ciertas condiciones. Os, Pt, Au e Ir tienen una reflectancia de aproximadamente el 60% entre 5 y 200 nm en configuración de rasado.
Diferencia entre una rejilla maestra y una réplica
Una rejilla maestra es una unidad original registrada como una pieza única. Una rejilla maestra puede utilizarse como la "madre" de múltiples copias, llamadas réplicas.
La mayoría de las veces, se prefieren monocromadores VUV cuando están equipados con rejillas maestras. Pero, por desgracia, estas rejillas son extremadamente caras y tienen un largo plazo de entrega.
