Um espectrômetro separa uma fonte de luz incidente em seus componentes espectrais, enquanto mede a intensidade da luz emitida por uma substância em uma ampla faixa espectral. A luz incidente da fonte pode ser transmitida, absorvida ou refletida através da amostra. É amplamente utilizado para análises espectroscópicas de materiais.
Um monocromador produz um feixe de luz com uma largura de banda extremamente estreita, ou seja, luz de uma única cor. Ele é usado em instrumentos de medição óptica onde se busca luz monocromática ajustável.
Um espectrógrafo decompõe a luz de um objeto em seus comprimentos de onda componentes, permitindo que sejam registrados e analisados. Ele fornece uma imagem com largura de banda e comprimento de onda definidos. Um espectrógrafo inclui algum meio, como um detector eletrônico, para registrar o espectro para análise.
Os sistemas de monocromador e espectrômetro formam uma imagem da fenda de entrada no plano de saída nos comprimentos de onda presentes na fonte de luz. Existem inúmeras configurações pelas quais isso pode ser alcançado; apenas as mais comuns são discutidas neste documento, incluindo os sistemas de grade plana (PGS) e os sistemas de grade holográfica com correção de aberração (ACHG).
Definições:
L A- comprimento do braço de entrada
L B- comprimento do braço de saída
h - altura da fenda de entrada
h' - altura da imagem da fenda de entrada
α - ângulo de incidência
β - ângulo de difração
w - largura da fenda de entrada
w' - largura da imagem da fenda de entrada
D g- diâmetro de uma grade circular
W g- largura de uma grade retangular
H g- altura de uma grade retangular
Um instrumento Fastie-Ebert consiste em um grande espelho esférico e uma grade de difração plana.
Um instrumento Fastie-Ebert consiste em um grande espelho esférico e uma grade de difração plana (ver Fig. 9).
Uma parte do espelho colima inicialmente a luz que incidirá sobre a grade plana. Em seguida, outra parte do espelho focaliza a luz dispersa da grade, formando imagens da fenda de entrada no plano de saída.
O monocromador Czerny-Turner (CZ) consiste em dois espelhos côncavos e uma grade de difração plana. Utilizando uma geometria assimétrica, uma configuração Czerny-Turner pode ser projetada para produzir um campo espectral uniforme e uma boa correção de coma em um determinado comprimento de onda.
O monocromador Czerny-Turner (CZ) consiste em dois espelhos côncavos e uma grade de difração plana (ver Fig. 10).
Embora os dois espelhos funcionem com as mesmas capacidades separadas que o espelho esférico único da configuração Fastie-Ebert, ou seja, primeiro colimando a fonte de luz (espelho 1) e, em segundo lugar, focalizando a luz dispersa da grade (espelho 2), a geometria dos espelhos na configuração Czerny-Turner é flexível.
Utilizando uma geometria assimétrica, uma configuração Czerny-Turner pode ser projetada para produzir um campo espectral plano e uma boa correção de coma em um comprimento de onda específico. A aberração esférica e o astigmatismo permanecerão em todos os comprimentos de onda.
Também é possível projetar um sistema que possa acomodar componentes ópticos muito grandes.
Monocromador CZ: Emite luz monocromática estreita através da fenda.
No projeto Czerny-Turner comum, a fonte de iluminação de banda larga (A) é direcionada para uma fenda de entrada (B). A quantidade de energia luminosa disponível para uso depende da intensidade da fonte no espaço definido pela fenda (largura x altura) e do ângulo de aceitação do sistema óptico. A fenda é posicionada no foco efetivo de um espelho curvo (o colimador, C), de modo que a luz proveniente da fenda, refletida pelo espelho, seja colimada (focalizada no infinito). A luz colimada é difratada pela grade de difração (D) e, em seguida, coletada por outro espelho (E), que refocaliza a luz, agora dispersa, na fenda de saída (F).
Monocromador CZ: Emite luz monocromática estreita através da fenda.
Espectrógrafo CZ: Em vez de usar uma fenda na saída, haverá um detector matricial posicionado na saída; nesse caso, o espectrógrafo cobrirá uma determinada faixa espectral de uma só vez.
Espectrógrafo CZ: Em vez de usar uma fenda na saída, haverá um detector matricial posicionado na saída; nesse caso, o espectrógrafo cobrirá uma determinada faixa espectral de uma só vez.
Os espectrômetros PGS apresentam certas aberrações que degradam a resolução espectral, a resolução espacial ou a relação sinal-ruído. As mais significativas são o astigmatismo, o coma, a aberração esférica e o desfoque. Os sistemas PGS são usados fora do eixo, portanto, as aberrações serão diferentes em cada plano. Não está no escopo deste documento revisar os conceitos e detalhes dessas aberrações (4), no entanto, é útil entender o conceito de Diferença de Caminho Óptico (DCO) ao considerar os efeitos das aberrações.
Basicamente, a diferença de percurso óptico (OPD) é a diferença entre uma frente de onda real produzida e uma "frente de onda de referência" que seria obtida se não houvesse aberrações. Essa frente de onda de referência é uma esfera centrada na imagem, ou um plano se a imagem estiver no infinito.
Por exemplo: o desfoque resulta em raios encontrando um foco fora da superfície do detector, produzindo uma imagem borrada que degrada a largura de banda, a resolução espacial e a relação sinal-ruído óptica. Um bom exemplo seria o espelho de iluminação de frente de onda esférico M1 na Fig. 10. O desfoque não deve ser um problema em um monocromador PGS usado com uma única fenda de saída e um detector PMT. No entanto, em um PGS não corrigido, há curvatura de campo que exibirá desfoque nas extremidades de um arranjo linear planar de diodos. Configurações CZ geometricamente corrigidas, como a mostrada na Fig. 10, praticamente eliminam o problema. A diferença de caminho óptico (OPD) devido ao desfoque varia com o quadrado da abertura numérica.
A coma resulta da geometria fora do eixo de um sistema de dispersão polar (PGS) e é observada como uma distorção dos raios no plano de dispersão, alargando a base de um dos lados de uma linha espectral.
A coma resulta da geometria fora do eixo de um PGS e se manifesta como uma distorção dos raios no plano de dispersão, alargando a base de um dos lados da linha espectral, como mostrado na Figura 13. A coma pode ser responsável tanto pela degradação da largura de banda quanto pela redução da relação sinal-ruído óptica. A diferença de percurso óptico (OPD) devido à coma varia com o cubo da abertura numérica. A coma pode ser corrigida em um comprimento de onda específico em um CZ calculando-se uma geometria operacional apropriada, como mostrado na Figura 13.
A aberração esférica resulta da falha dos raios que emanam do centro de uma superfície óptica em encontrar o mesmo ponto focal que os raios provenientes do centro.
A aberração esférica resulta da falha dos raios que emanam do centro de uma superfície óptica em encontrar o mesmo ponto focal que os raios provenientes do centro (ver Fig. 14). A diferença de percurso óptico (OPD) devido à aberração esférica varia com a quarta potência da abertura numérica e não pode ser corrigida sem o uso de óptica asférica.
Em caso de astigmatismo, um espelho esférico iluminado por uma onda plana incidente em um ângulo em relação à normal apresentará dois focos: o foco tangencial e o foco sagital.
O astigmatismo é característico da geometria fora do eixo. Nesse caso, um espelho esférico iluminado por uma onda plana incidente em um ângulo em relação à normal (como o espelho M2 na Fig. 10) apresentará dois focos: o foco tangencial, Ft, e o foco sagital, FS.
O astigmatismo tem o efeito de pegar um ponto na fenda de entrada e representá-lo como uma linha perpendicular ao plano de dispersão na saída (ver Fig. 15), impedindo assim a resolução espacial e aumentando a altura da fenda, com consequente degradação da relação sinal-ruído óptica.
A diferença de percurso óptico (OPD) devido ao astigmatismo varia com o quadrado da abertura numérica e o quadrado do ângulo fora do eixo, e não pode ser corrigida sem o uso de óptica asférica.
Representação esquemática de espelhos toroidais e esféricos.
Um espelho toroidal corrige o astigmatismo, permitindo que os planos focais tangencial (otimizado para resolução) e sagital (otimizado para imagem) se cruzem no centro do plano focal.
Isso proporciona a flexibilidade de escolher entre a otimização de imagem e a otimização de resolução (com um detector CCD) selecionando o ângulo de detecção desejado. Isso permitirá que o espectrógrafo tenha os maiores campos planos disponíveis em um espectrógrafo de imagem.
Correção do astigmatismo utilizando espelhos toroidais
Os recentes avanços na tecnologia de grades holográficas agora permitem a correção completa de TODAS as aberrações presentes em um espectrômetro CZ baseado em espelho esférico em um comprimento de onda, com excelente mitigação em uma ampla faixa de comprimento de onda (12).
Um monocromador ACHG
Tanto os monocromadores quanto os espectrógrafos desse tipo utilizam uma única grade holográfica sem componentes ópticos auxiliares.
Nesses sistemas, a grade de difração focaliza e difrata a luz incidente.
Com apenas uma óptica em seu projeto, esses dispositivos são baratos e compactos. A Figura 18 ilustra um monocromador ACHG. A Figura 19 ilustra um espectrógrafo ACHG no qual a localização do plano focal é estabelecida por:
β H- Ângulo entre a perpendicular ao plano espectral e a normal da grade.
L H- Distância perpendicular do plano espectral à grade de difração.
Um espectrógrafo ACHG
Da equação (2),
Dv = β - α (permanece constante)
Tomando esta equação e a equação (3),
*Use as equações (19) e (2) para determinar α e β respectivamente.
Nota: Na prática, o comprimento de onda máximo atingível é limitado pela rotação mecânica da grade. Isso significa que dobrar a densidade de ranhuras da grade reduzirá pela metade a faixa espectral.
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