Embora lentes sejam usadas nos exemplos abaixo, espelhos côncavos com revestimento na superfície frontal, específicos para a região espectral desejada, são preferíveis. Um revestimento como o de alumínio é altamente refletivo de 170 nm até o infravermelho próximo, enquanto os vidros crown e flint começam a perder eficiência de transmissão rapidamente abaixo de 400 nm. As "dupletas acromáticas" são rotineiramente cimentadas com resinas que absorvem UV e seus revestimentos antirreflexo geralmente discriminam o UV abaixo de 425 nm (isso se deve ao fato de que essas lentes são frequentemente usadas em câmeras onde o filme fotográfico pode ser muito sensível ao UV).
Se as lentes precisarem ser usadas em faixas de azul a ultravioleta, escolha lentes simples de quartzo sem revestimento ou lentes duplas com espaçamento de ar.
Um sistema monocromador típico com uma fenda de saída fixa e um detector.
AS - diafragma de abertura
L1 - lente 1
G1 - grade 1
M1 - espelho 1
M2 - espelho 2
p - distância do objeto à lente L1
q - distância da imagem em relação à lente L1
F - distância focal da lente L1
d - a abertura livre da lente (L1 no diagrama)
O diagrama acima mostra um sistema monocromador típico com uma fenda de saída fixa e um detector; no entanto, tudo o que se segue é igualmente aplicável a um espectrógrafo.
Esta equação da lente:
Ampliação (m):
Para simplificar, o diâmetro de uma óptica ou o de seu diafragma de abertura (AS) (assumindo que seja muito próximo da própria óptica) é usado para determinar o valor f. Nesse caso, as equações (4) e (23) se simplificam para:
Monte os componentes acima de forma que o feixe de laser atue como o eixo óptico, passando primeiro por duas aberturas de orifício, seguido pelo monocromador e, finalmente, pela terceira abertura de orifício.
A óptica externa e a fonte serão posicionadas no eixo óptico definido pelas aberturas dos orifícios e pelo feixe de laser. Posicione as aberturas dos orifícios de forma que as lentes, etc., possam ser adicionadas sem interferi-las.
Nota: A iluminação reversa pode ser preferível em alguns casos, onde o laser passa primeiro pela fenda de saída e percorre todos os componentes ópticos até iluminar a própria fonte de luz. O alinhamento dos componentes é um processo iterativo. O objetivo é que o feixe de laser passe pelo centro de cada fenda e atinja o centro de cada elemento óptico. Os seguintes passos são utilizados para alcançar esse objetivo:
Se uma fonte de luz, como uma amostra ou uma lâmpada de calibração, for focalizada na fenda de entrada de um espectrômetro, então:
A fonte emissora tem uma largura menor que a largura da fenda de entrada para a banda de passagem desejada.
A maioria dos espectrômetros comerciais opera entre f/3 e f/15, mas os diagramas a seguir usam desenhos consistentes com f/3 e todos os cálculos assumem f/6.
Nos exemplos que se seguem, a lente (L1) utilizada é uma única lente fina com distância focal de 100 mm (para um objeto no infinito) e 60 mm de diâmetro.
O valor f/ na saída da óptica de entrada deve ser igual ao valor f/ na entrada do monocromador.
Caso necessário, deve-se utilizar um diafragma para ajustar o diâmetro da óptica de entrada.
Ao calcular o diâmetro dos diafragmas, lembre-se de preencher ligeiramente menos espaço na óptica do espectrômetro para evitar reflexos indesejados dentro da carcaça do instrumento.
Exemplo 1 (Fig. 36)
A fonte emissora tem uma largura menor que a largura da fenda de entrada para a banda de passagem desejada.
Calcule a largura da fenda de entrada para a faixa de passagem adequada (Equação 3-9). Para este exemplo, considere a largura da fenda como 0,25 mm.
Objeto de exemplo: uma fibra com diâmetro de núcleo de 0,05 mm e NA de 0,25.
O objeto emite luz em f/2 (NA = 0,25). Espectrômetro = f/6.
Tamanho da imagem projetada da fibra que seria acomodada pelo sistema (dado pela largura da fenda de entrada) = 0,25 mm.
Calcule a ampliação necessária para preencher a fenda de entrada.
m = tamanho da imagem/tamanho do objeto = 0,25/0,05 = 5,0.
Portanto, q/p = 5, q = 5p.
Substituindo na equação da lente 3-16, obtemos p = 120 mm e q = 600 mm.
Para calcular d, a luz deve ser coletada em f/2 e projetada em f/6 para preencher perfeitamente a grade.
Portanto, p/d = 2, d = 120/2 = 60 mm.
Portanto, o diafragma de abertura = diâmetro total de L1.
Valor de projeção f = 600/60 = 10.
Em outras palavras, a grade do monocromador, embora receba luz coletada em f/2, não é totalmente preenchida pelo cone projetado em f/10. Toda a luz que poderia ter sido coletada já foi coletada e nenhuma melhoria adicional é possível.
Exemplo 2
Se, no entanto, a fibra emitisse luz em f/1, a coleta de luz poderia ser ainda mais aprimorada usando uma lente na mesma configuração, mas com 120 mm de diâmetro. Isso, porém, produziria um valor f/ de saída de
600/120 = f /5
Como isso excede a abertura f/6 do espectrômetro, a coleta máxima de luz do sistema seria produzida por uma lente com diâmetro:
fazendo com que a extensão luminosa coletada corresponda à extensão limite do espectrômetro.
O valor f da coleção é, portanto,
Como a extensão é proporcional ao quadrado do (valor f)-1, cerca de 70% da luz emitida disponível seria coletada em f/1,2 (ver Seção 3).
Se o usuário tivesse simplesmente colocado a fibra na fenda de entrada sem nenhuma óptica de entrada, apenas 3% da luz disponível teria sido coletada. (Nesse caso, a luz foi coletada na abertura f/6 do espectrômetro, em vez de f/1.2 com óptica de entrada de correspondência de étendue.)
A largura do objeto é igual ou maior que a largura da fenda de entrada. Devem ser utilizados diafragmas para ajustar a extensão óptica da entrada à do monocromador. Como o objeto é maior que a largura da fenda, é a extensão óptica do monocromador que limitará a coleta de luz.
A largura do objeto é igual ou maior que a largura da fenda de entrada (ver Fig. 37).
O valor f/ na saída da óptica de entrada deve ser igual ao valor f/ na entrada do monocromador. A distância do objeto deve ser igual à distância da imagem (ampliação absoluta, em metros, igual a 1).
Os diafragmas devem ser usados para ajustar a extensão óptica da óptica de entrada à do monocromador. Como o objeto é maior que a largura da fenda, é a extensão óptica do monocromador que limitará a coleta de luz.
Neste caso, imagem 1:1 com ampliação unitária.
Lente L1
Assim, para F = 100 mm, p = 200 mm, q = 200 mm (2F).
Valor f do monocromador = q/d = p/d = 6.
Então
Portanto, a abertura deve ser de 33,33 mm para preencher perfeitamente a grade de difração.
O valor f/ da fonte é numericamente maior que o do espectrômetro. Nesse caso, a correspondência de extensão é alcançada pela desmagnificação da fonte.
Neste caso, o valor f da fonte é numericamente maior do que o do espectrômetro. Isso é frequentemente observado com um telescópio que pode projetar em f/30, mas deve ser monitorado por um espectrômetro em f/6. Nesse caso, a correspondência de extensão é alcançada pela desmagnificação da fonte (ver Fig. 38).
Calcule a largura da fenda de entrada para a banda passante apropriada (Equação (37)). Considere, por exemplo,
1,0 mm = tamanho final da imagem = largura da fenda de entrada.
A imagem projetada pelo telescópio tem 5 mm e forma o objeto para o espectrômetro.
m = 1/5 = 0,2,
então a partir da Equação (58).
Considerando a lente L1 com F = 100 mm (dada),
p = 600 mm, q = 120 mm.
Calcule d sabendo que o monocromador tem um valor f = 6, q/d = 6 e d = 120/6 = 20 mm.
O diafragma terá 20 mm de diâmetro.
A luz é captada na abertura da imagem projetada ou em 600/20 = f/30, o que for numericamente maior.
Os conceitos apresentados nesta seção não incluem o uso de lentes de campo. Fontes extensas geralmente exigem que cada pupila do feixe seja projetada na pupila seguinte, a jusante, para evitar perda de luz devido ao preenchimento excessivo da óptica e vinhetagem.
As lentes de campo garantem que, para uma fonte extensa e uma altura de fenda finita, toda a luz atinja a grade sem vinhetagem. Nas Figuras 39 e 40, a altura da fenda está no plano do papel.
As lentes de campo garantem que, para uma fonte extensa e uma altura de fenda finita, toda a luz atinja a grade sem vinhetagem.
As lentes de campo garantem que, para uma fonte extensa e uma altura de fenda finita, toda a luz atinja a grade sem vinhetagem.
Na ausência de óptica de entrada, é possível que a fenda de entrada projete uma imagem de praticamente tudo o que estiver à sua frente no espectrômetro. Isso pode incluir a lâmpada, a amostra, as bordas das lentes e até mesmo janelas distantes. A seção anterior descreve como iluminar corretamente um espectrômetro para obter o máximo rendimento. Seguir esse procedimento eliminará o efeito de câmera estenopeica.
A captura de imagens múltiplas pode degradar severamente a qualidade da imagem de saída e a taxa de transferência. Por outro lado, o efeito de câmera estenopeica é muito útil no VUV (ultravioleta extremo) quando lentes refrativas não estão disponíveis e espelhos seriam ineficientes.
Os diafragmas de abertura e de campo podem ser usados para reduzir ou mesmo eliminar a estrutura de uma fonte de luz e bloquear as porções indesejadas da luz. Nesse sentido, os diafragmas de abertura são chamados de filtros espaciais.
Os diafragmas de abertura e de campo podem ser usados para reduzir ou mesmo eliminar a estrutura em uma fonte de luz e bloquear as porções indesejadas da luz (por exemplo, o revestimento ao redor de uma fibra óptica). Nessa função, os diafragmas de abertura são chamados de filtros espaciais (veja a Fig. 41).
A imagem da fonte de luz é focalizada no plano do filtro espacial, que então se torna a fonte de luz para o sistema.
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