Article 2: Què és un espectròmetre de fibra òptica i com escolliu l'escletxa i la fibra adequades?
Els espectròmetres de fibra òptica representen actualment la classe predominant d'espectròmetres.Aquesta categoria d'espectròmetres permet la transmissió de senyals òptics a través d'un cable de fibra òptica, sovint anomenat pont de fibra òptica, que facilita una major flexibilitat i comoditat en l'anàlisi espectral i la configuració del sistema.En contrast amb els espectròmetres de laboratori grans convencionals equipats amb distàncies focals que solen anar de 300 mm a 600 mm i que utilitzen reixes d'escaneig, els espectròmetres de fibra òptica utilitzen reixes fixes, eliminant la necessitat de motors rotatius.Les distàncies focals d'aquests espectròmetres solen estar en el rang de 200 mm, o poden ser fins i tot més curtes, fins a 30 mm o 50 mm.Aquests instruments són de mida molt compacta i s'anomenen habitualment espectròmetres de fibra òptica en miniatura.
Espectròmetre de fibra en miniatura
Un espectròmetre de fibra òptica en miniatura és més popular a les indústries a causa de la seva compacitat, rendibilitat, capacitat de detecció ràpida i flexibilitat notable.L'espectròmetre de fibra òptica en miniatura inclou normalment una escletxa, mirall còncau, reixeta, detector CCD/CMOS i circuits d'accionament associats.Es connecta al programari de l'ordinador amfitrió (PC) mitjançant un cable USB o un cable sèrie per completar la recollida de dades espectrals.
Estructura de l'espectròmetre de fibra òptica
L'espectròmetre de fibra òptica està equipat amb un adaptador d'interfície de fibra, proporciona una connexió segura per a fibra òptica.Les interfícies de fibra SMA-905 s'utilitzen a la majoria dels espectròmetres de fibra òptica, però algunes aplicacions requereixen interfícies de fibra FC/PC o no estàndard, com ara la interfície de fibra multinucli cilíndrica de 10 mm de diàmetre.
Interfície de fibra SMA905 (negre), interfície de fibra FC/PC (groc).Hi ha una ranura a la interfície FC/PC per al posicionament.
El senyal òptic, després de passar per la fibra òptica, passarà primer per una escletxa òptica.Els espectròmetres en miniatura solen utilitzar ranures no ajustables, on l'amplada de la ranura és fixa.Mentre que, l'espectròmetre de fibra òptica JINSP ofereix amples de fenda estàndard de 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm i 200 μm en diverses especificacions, i també hi ha personalitzacions disponibles segons els requisits de l'usuari.
El canvi en l'amplada de les escletxes pot afectar el flux de llum i la resolució òptica habitualment, aquests dos paràmetres presenten una relació de compensació.Més estreta és l'amplada de la ranura, més alta serà la resolució òptica, encara que a costa d'un flux de llum reduït.És essencial tenir en compte que expandir la ranura per augmentar el flux de llum té limitacions o no és lineal.De la mateixa manera, reduir l'escletxa té limitacions en la resolució possible.Els usuaris han d'avaluar i seleccionar l'escletxa adequada d'acord amb els seus requisits reals, com ara donar prioritat al flux lumínic o la resolució òptica.En aquest sentit, la documentació tècnica proporcionada per als espectròmetres de fibra òptica JINSP inclou una taula completa que correlaciona les amplades de ranura amb els seus nivells de resolució corresponents, servint de valuosa referència per als usuaris.
Una bretxa estreta
Taula de comparació de resolucions d'escletxa
Els usuaris, mentre configuren un sistema d'espectròmetre, han de triar les fibres òptiques adequades per rebre i transmetre senyals a la posició de la ranura de l'espectròmetre.Cal tenir en compte tres paràmetres importants a l'hora de seleccionar fibres òptiques.El primer paràmetre és el diàmetre del nucli, que està disponible en un ventall de possibilitats que inclouen 5μm, 50μm, 105μm, 200μm, 400μm, 600μm i fins i tot diàmetres més grans més enllà d'1mm.És important tenir en compte que augmentar el diàmetre del nucli pot millorar l'energia rebuda a l'extrem frontal de la fibra òptica.Tanmateix, l'amplada de l'escletxa i l'alçada del detector CCD/CMOS limiten els senyals òptics que pot rebre l'espectròmetre.Per tant, augmentar el diàmetre del nucli no millora necessàriament la sensibilitat.Els usuaris haurien de triar el diàmetre del nucli adequat en funció de la configuració real del sistema.Per als espectròmetres de B&W Tek que utilitzen detectors CMOS lineals en models com SR50C i SR75C, amb una configuració d'escletxa de 50 μm, es recomana utilitzar una fibra òptica de nucli de 200 μm per a la recepció del senyal.Per als espectròmetres amb detectors CCD d'àrea interna en models com SR100B i SR100Z, pot ser adequat tenir en compte fibres òptiques més gruixudes, com ara 400 μm o 600 μm, per a la recepció del senyal.
Diferents diàmetres de fibra òptica
Senyal de fibra òptica acoblada a l'escletxa
El segon aspecte és el rang de longitud d'ona de funcionament i els materials de les fibres òptiques.Els materials de fibra òptica solen incloure fibres High-OH (hidroxil alt), Low-OH (hidroxil baix) i fibres resistents als UV.Els diferents materials tenen diferents característiques de transmissió de longitud d'ona.Les fibres òptiques d'alt OH s'utilitzen normalment en el rang de llum ultraviolada/visible (UV/VIS), mentre que les fibres de baix OH s'utilitzen en el rang d'infraroig proper (NIR).Per al rang ultraviolat, s'han de considerar fibres especials resistents als UV.Els usuaris haurien de triar la fibra òptica adequada en funció de la seva longitud d'ona de funcionament.
El tercer aspecte és el valor de l'obertura numèrica (NA) de les fibres òptiques.A causa dels principis d'emissió de les fibres òptiques, la llum emesa des de l'extrem de la fibra es limita dins d'un cert rang d'angles de divergència, que es caracteritza pel valor NA.Les fibres òptiques multimode generalment tenen valors NA de 0,1, 0,22, 0,39 i 0,5 com a opcions habituals.Prenent com a exemple el 0,22 NA més comú, vol dir que el diàmetre de punt de la fibra després de 50 mm és d'aproximadament 22 mm, i després de 100 mm, el diàmetre és de 44 mm.Quan dissenyen un espectròmetre, els fabricants solen considerar fer coincidir el valor NA de la fibra òptica el més a prop possible per garantir la màxima recepció d'energia.A més, el valor NA de la fibra òptica està relacionat amb l'acoblament de lents a l'extrem frontal de la fibra.El valor NA de la lent també s'ha d'ajustar el més possible al valor NA de la fibra per evitar la pèrdua de senyal.
El valor NA de la fibra òptica determina l'angle de divergència del feix òptic
Quan s'utilitzen fibres òptiques juntament amb lents o miralls còncaus, el valor de NA s'ha d'ajustar el més a prop possible per evitar la pèrdua d'energia.
Els espectròmetres de fibra òptica reben la llum en angles determinats pel seu valor NA (Apertura numèrica).El senyal incident s'utilitzarà completament si el NA de la llum incident és inferior o igual al NA d'aquest espectròmetre.La pèrdua d'energia es produeix quan el NA de la llum incident és més gran que el NA de l'espectròmetre.A més de la transmissió de fibra òptica, l'acoblament òptic d'espai lliure es pot utilitzar per recollir senyals de llum.Això implica convergir la llum paral·lela en una escletxa mitjançant lents.Quan s'utilitzen camins òptics d'espai lliure, és important triar lents adequades amb un valor NA que coincideixi amb el de l'espectròmetre, alhora que s'assegura que la ranura de l'espectròmetre es col·loca al focus de la lent per aconseguir el màxim flux de llum.
Acoblament òptic d'espai lliure
Hora de publicació: 13-12-2023