Monocromador PGM com correção de aberração
Uma aberração óptica é um desvio do desempenho de um sistema óptico em relação às previsões da óptica paraxial. Na presença de uma aberração óptica, a luz proveniente de um ponto de um objeto não converge (ou não diverge) para um único ponto após atravessar o sistema. As aberrações ópticas se dividem em duas classes: monocromáticas e cromáticas.
A aberração cromática é um tipo de distorção em que a lente não consegue focalizar todas as cores no mesmo ponto de convergência, devido à dispersão da lente (índice de refração diferente da lente para diferentes comprimentos de onda da luz).
As aberrações monocromáticas são causadas pela geometria da lente e ocorrem tanto na reflexão quanto na refração da luz. Essas aberrações incluem aberração esférica, coma, astigmatismo, curvatura de campo e distorção da imagem.
Aberrações esféricas
Lentes e espelhos esféricos compartilham esse problema. Raios de luz paralelos que passam pela região central focam mais longe do que aqueles que passam pelas bordas. O resultado são muitos pontos focais, o que produz uma imagem desfocada.
Aberração de coma
Algumas aberrações afetam as imagens devido aos raios fora do eixo. A imagem de um ponto parece vários cilindros descentrados, como a imagem de um "cometa", daí o seu nome.
aberração de astigmatismo
Um sistema óptico com astigmatismo é aquele em que os raios que se propagam em dois planos perpendiculares têm pontos focais diferentes.
Curvatura de campo
A curvatura de campo é a aberração que faz com que um objeto plano pareça curvo na imagem.
Aberração de distorção
A distorção é a aberração mais facilmente reconhecida, pois deforma a imagem como um todo. Ela surge da ampliação desigual da parte periférica de uma lente (ou espelho) em relação à sua parte central. Na distorção em barril, a ampliação da imagem diminui com a distância do eixo óptico. Na distorção em almofada, a ampliação da imagem aumenta com a distância do eixo óptico.
A aberração causa o desfoque da imagem produzida por um sistema óptico de formação de imagem. Os fabricantes de instrumentos ópticos precisam corrigir os sistemas ópticos para compensar a aberração.
Para limitar o número de reflexões nas lentes, grades côncavas são frequentemente usadas como elemento único em espectrômetros VUV.
Rowland demonstrou que o espectro disperso de um ponto iluminado situado em um círculo é focalizado nesse círculo, se a seguinte configuração for respeitada (ver figura). Muitos monocromadores VUV utilizam esse projeto.
Infelizmente, as grades de difração sofrem com as aberrações de espelhos côncavos e outros objetos devido à sua capacidade de difração. Trabalhar nas condições de Rowland limita definitivamente a qualidade da imagem dos instrumentos. A principal aberração, nesse caso, é o astigmatismo. Essa aberração pode ser tolerada com um monocromador, já que apenas o foco horizontal é necessário para separar os comprimentos de onda do espectro.
Na incidência normal (ordem zero, λ 3), a aberração é mínima e a imagem é reta. Mas quanto mais próximas as imagens estiverem da grade de difração, mais esticadas e curvas elas se tornam. Esse esticamento pode ser severo, dependendo da posição da imagem no círculo de Rowland e, portanto, do comprimento de onda observado. Isso resulta em perda de sinal e de resolução, especialmente no modo espectrógrafo quando detectores CCD são utilizados.
Grade na rotunda de Rowland
S: Fonte pontual (ou fenda do instrumento)
λ 3: Posição de ordem zero
λ 1, λ 2: Posições de comprimento de onda dispersas λ 1 > λ 2
i: ângulo de incidência
r: ângulo de refletância
Comparação do astigmatismo de um espelho toroidal e de um espelho esférico.
As imagens espectroscópicas podem ser aprimoradas com o uso de grades toroidais. Uma grade toroidal é uma forma de paraboloide elíptico com diferentes distâncias focais vertical e horizontal. Ela reduz o alongamento e a curvatura do astigmatismo.
Outro avanço importante é o desenvolvimento de grades com espaçamento de linha variável (VLS).
Uma grade VLS é aquela cujos sulcos, quando projetados no plano tangente, formam um conjunto de linhas retas paralelas cujo espaçamento varia de sulco para sulco. Variar o espaçamento dos sulcos ao longo da superfície da grade desloca a curva focal tangencial, enquanto manter os sulcos retos e paralelos mantém a curva focal sagital fixa. Isso corrige a aberração esférica associada às grades esféricas convencionais. A técnica VLS também pode ser aplicada em grades toroidais para uma correção otimizada.
Instrumento de layout de um HORIBA PGM/PGS
Na região do VUV, são utilizados dois tipos básicos de espectrógrafos e monocromadores: instrumentos de incidência normal, com um design mais adequado para a faixa de 100 a 400 nm, e instrumentos de incidência rasante, para a faixa de 2 a 100 nm.
A otimização da correção de imagem das grades de difração pode ser calculada para uma melhor qualidade de imagem no eixo óptico do instrumento (configuração do monocromador) ou em um plano focal (configuração do espectrógrafo). Neste último caso, a otimização amplia o plano focal, a grade de difração do espectrógrafo opera em posição fixa e a seleção da faixa de comprimento de onda é obtida deslizando o detector no plano focal do instrumento. A correção é excelente em ambos os casos.
A obtenção de uma monografia VUV completa deve ser feita sem uma grade toroidal. A configuração do Espectrógrafo de Grade Plana (PGS) é uma das melhores opções. O layout PGS opera com um espelho toroidal e uma grade plana funcionando em um ângulo rasante. Ele também tem a vantagem de ser mais acessível, pois possui um design plano.
HORIBA oferece uma série de espectrômetros e monocromadores VUV:
O projeto de instrumentos VUV sofre com as limitações dos materiais ópticos para VUV. A transmissão através de materiais volumétricos é limitada a λ < 105 nm, e a transmissão em comprimentos de onda curtos é limitada a λ < 115 nm para LiF ou MgF₂. A configuração reflexiva é utilizada em um arranjo óptico VUV. No entanto, a refletância de superfícies metálicas também diminui em comprimentos de onda curtos. Diversos materiais de revestimento são introduzidos para aumentar a refletividade, como Al, Os, Pt, Au, Rh e Ir. Acima de 120 nm, o principal refletor de banda larga para comprimentos de onda VUV é o Al com revestimento de MgF₂, apresentando uma refletividade de incidência normal de até 90% sob certas condições. Os, Pt, Au e Ir apresentam uma refletância de cerca de 60% de 5 a 200 nm em configuração de incidência rasante.
Diferença entre uma grade mestra e uma réplica
Uma grade mestra é uma unidade original registrada como uma peça única. Uma grade mestra pode ser utilizada como a "mãe" de múltiplas cópias, chamadas réplicas.
Na maioria das vezes, os monocromadores VUV são preferidos quando equipados com grades mestras. Mas, infelizmente, essas grades são extremamente caras e têm um longo prazo de entrega.
