CC BY
41
УДК 543.423: 543.08
СРАВНЕНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ, ПОСТРОЕННЫХ ПО РАЗНЫМ ОПТИЧЕСКИМ СХЕМАМ
Игорь Александрович Зарубин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, научный сотрудник; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20; ООО «ВМК-Оптоэлектроника», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, тел. (383)333-27-79, e-mail: zarubin@vmk.ru
Владимир Александрович Лабусов
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, зав. лабораторией; Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20; ООО «ВМК-Оптоэлектроника», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, тел. (383)333-27-79, e-mail: labusov@vmk.ru
Сергей Александрович Бабин
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник; ООО «ВМК-Оптоэлектроника», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, тел. (383)333-27-79, e-mail: serg_b@vmk.iae.nsk.su
Приведены основные параметры малогабаритных спектрометров, построенных по схеме Черни-Тернера и по схеме с вогнутой дифракционной решеткой с плоским полем, регистрация спектра в которых осуществляется линейками фотодетекторов. Показаны результаты их сравнения по рабочему спектральному диапазону, разрешению и светосиле. Приводятся примеры использования спектрометров.
Ключевые слова: спектрометр, атомно-эмиссионный анализ, схема Черни-Тернера.
COMPARISON OF COMPACT SPECTROMETERS DESIGNED BY DIFFERENT OPTICAL SCHEMES
Igor A. Zarubin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia; LLC «VMK-Optoelektronika», 1, Academician Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., phone: (383)333-27-79, e-mail: zarubin@vmk.ru
Vladimir A. Labusov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Head of laboratory; Novosibirsk State Technical University, 20, Prospect K. Marx St., Novosibirsk, 630073, Russia; LLC «VMK-Optoelektronika», 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., phone: (383)333-27-79, e-mail: labusov@vmk.ru
Sergey A. Babin
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Junior Researcher; LLC «VMK-Optoelektronika», 1, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, phone: (383)333-27-79, e-mail: serg_b@vmk.iae.nsk.su
The main parameters of compact spectrometers constructed according to the Czerny-Turner scheme and according to a scheme with a concave diffraction grating with a flat-field are presented. The results of their comparison are shown. Examples of the use of spectrometers are given.
Key words: spectrometer, atomic-emission analysis, the Czerny-Turner scheme.
Введение
В настоящее время наиболее распространенным диспергирующим элементом в спектральных приборах является отражательная дифракционная решетка. В зависимости от типа используемой решетки спектральные приборы могут быть построены по разным оптическим схемам. По схеме Пашена-Рунге с вогнутой дифракционной решеткой изготовлено большинство спектральных приборов с фокусным расстоянием от 500 мм и больше [1]. Малогабаритные приборы с фокусным расстоянием около 100 мм часто построены по схеме Черни-Тернера с плоской решеткой либо в них используются вогнутые решетки с плоским полем, строящие изображение на плоской поверхности. Схему Черни-Тернера отличает протяженная плоская поверхность регистрации, обеспечивающая одинаковое спектральное разрешение во всем рабочем спектральном диапазоне [2, 3]. Приборы с вогнутой решеткой с плоским полем имеют высокое относительное отверстие, достигающее 1:1,2, обеспечивающее повышенную светосилу [4, 5, 6]. Таким образом, малогабаритные спектрометры с разными оптическими схемами, различаются по характеристикам и, поэтому, по областям применения. Нами был разработан ряд малогабаритных спектрометров, построенных как по схеме Черни-Тернера, так и с использованием вогнутой решетки с плоским полем.
Целью работы является информирование специалистов о характеристиках малогабаритных спектрометров, построенных по схеме Черни-Тернера и по схеме с вогнутой дифракционной решеткой с плоским полем.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Спектрометр по схеме Черни-Тернера с плоской дифракционной решеткой «Колибри-2» позволяет зарегистрировать любой рабочий спектральный диапазон в интервале от 190 до 1100 нм. Протяженность одновременно регистрируемого диапазона может быть от 70 до 1000 нм, разрешение от 0,1 до 1 нм. Основные параметры спектрометра приведены в табл. 1. Спектрометр герметичен и заполнен инертным газом, что дало возможность установить линейный детектор излучения без покровного стекла, исключив тем самым переотражения на этом стекле.
Как видно из табл. 1 относительное отверстие в спектрометре достигает значения 1:6. Дальнейшее увеличение относительного отверстия приводит к значительному ухудшению качества изображения входной щели как в меридиональной, так и в сагиттальной плоскостях. Спектральное разрешение ухудшается из-за комы и сферической аберрации, а ожидаемое увеличение светосилы спектрометра не происходит из-за астигматизма [7].
Таблица 1
Основные параметры спектрометра «Колибри-2»
Плоская дифракционная решетка Нарезная Гологра-фическая Нарезная
— номер модификации 1 2 3 4 5 6 7 8
— частота штрихов, штр/мм 300 400 600 600 1200 1440 1500 1800
— направление угла блеска, нм 315 270 300 500 250 240 530 600
— рабочий порядок спектра первый
— размер заштрихованной области, мм 15 х 15 12,7 х 12,7 15 х 15
Рабочий спектральный диапа- 190 190 200 390 190 190 440 470
зон, нм - 1100 - 940 - 670 - 860 - 430 - 360 - 600 - 590
Спектральное разрешение, нм 1 0,7 0,4 0,25 0,17 0,2 0,1
Обратная линейная дисперсия, нм/мм 30,9 24 14,4 7,8 7,2 5,3 4,3
Уровень рассеянного света, % 0,05
Фокусное расстояние, мм 100
Относительное отверстие 1:6 1:8 1:6
Динамический диапазон 104
Для создания спектрометра с большей светосилой для решения задач люминесценции и комбинационного рассеяния нами была использована схема с вогнутой решеткой с плоским полем. Как отмечалось выше, такие решетки позволяют работать с большим относительным отверстием без потери качества изображения входной щели. Было изготовлено три варианта с разными рабочими спектральными диапазонами. Основные параметры прибора приведены в табл. 2.
Таблица 2
Основные параметры малогабаритных спектрометров с вогнутыми решетками с плоским полем
№ 1 № 2 № 3
Вогнутая дифракционная решетка голографическая
Частота штрихов, штр/мм 385 436 1300
Рабочий порядок спектра первый
Размер заштрихованной области, мм 0 18 0 47 0 38
Радиус кривизны, мм 40 112 100
Рабочий спектральный диапазон, нм 300-900 190-400 530-700
Спектральное разрешение (при входной щели 4 0,8 0,5
50 мкм), нм
Обратная линейная дисперсия, нм/мм 64 20 8,4
Относительное отверстие 1:2,1 1:2,3 1:2,9
Динамический диапазон 6х103
Интерфейс Ethernet или USB Ethernet
Габариты, мм3 63*68*44 170*130*90
Вес 0.4 кг 1 кг
Было проведено экспериментальное сравнение светосилы и спектрального разрешения «Колибри-2» и спектрометров с вогнутыми решетками. Для этого регистрировался линейчатый спектр лампы с полым катодом ЛСП-6Э, включающий линии меди, цинка и неона. Излучение в спектрометры вводилось с помощью волоконно-оптического кабеля с кварцевым световодом, диаметром 1 мм. Спектры нормировались на коэффициент, учитывающий разную ширину входных щелей. Для определения светосилы спектрометров измерялась интенсивность отдельных спектральных линий в диапазоне 200-1000 нм. На рис. 1 приведено отношение спектральных линий, зарегистрированных спектрометрами с вогнутыми решетками, к интенсивностям этих же линий, зарегистрированных спектрометром «Колибри-2».
Рис. 1. Отношение интенсивностей спектральных линий спектрометров № 1, 2, 3 (из табл. 2) к спектрометру «Колибри-2»
Из рис. 1 видно, что в спектрометрах с вогнутыми решетками интенсивность зарегистрированного спектра выше. Ожидалось увеличение примерно на порядок, так как относительное отверстие выше в три раза. Меньшее увеличение, вероятно, связано с меньшей дифракционной эффективностью используемых вогнутых решеток, а для спектрометра № 2 также с тем, что в нем была закрыта половина площади решетки для регистрации «узких» спектральных линий. При использовании полной апертуры этой решетки светосила спектрометра возрастает, однако спектральные линии существенно уширяются.
Для сравнения спектрального разрешения была построена зависимость ширины зарегистрированных спектральных линий на полувысоте от длины волны, которая показана на рис. 2. Спектральное разрешение «Колибри-2» приведено для решетки 300 штр/мм.
Рис. 2 подтверждает основное достоинство спектрометров по схеме Черни-Тернера, а именно, одинаковое спектральное разрешение во всем рабочем диапазоне.
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектральное разрешение малогабаритных спектрометров
Применение спектрометров
Представленные малогабаритные спектрометры используются для регистрации спектров эмиссии и абсорбции. Например, спектрометр «Колибри-2» наиболее часто используется в атомно-эмиссионном анализе [3, 8]. С его помощью расширяют спектральный диапазон существующих спектральных комплексов, увеличивая количество определяемых элементов, а также диапазон определения концентрации элементов таблицы Менделеева. Для примера на рис. 3, а приведена градуировочная зависимость для серебра: низкие концентрации определяются по аналитической линии Ag328.068, а высокие - по менее чувствительной спектральной линии Ag546.55 нм, регистрируемой «Колибри-2». Таким образом, как видно из рис. 3, а, диапазон определяемых концентраций серебра составляет 6 порядков [9].
Спектрометры с вогнутой решеткой, обладая большей светосилой, находят применение в областях, где интенсивность излучения низкая - люминесценция и комбинационное рассеяние. Для примера на рис. 3, б приведен спектр комбинационного рассеяния минерала целестина 8гБ04, возбужденный лазерным излучением 532 нм и зарегистрированный спектрометром № 3. Сравнение полученного спектра с его спектром из базы данных КЯиГТ [10] показывает возможность использования этого спектрометра для определения минералов.
а)
б)
Рис. 3. Применение малогабаритных спектрометров:
а) градуировочная зависимость интенсивности двух линий серебра от концентрации; б) спектр комбинационного рассеяния минерала целестина
Заключение
Таким образом, широкая номенклатура доступных дифракционных решеток позволяет изготавливать малогабаритные спектрометры со значительно различающимися характеристиками. Отличие по светосиле и спектральному разрешению достигает порядка и более. Одновременно регистрируемый диапазон составляет от 70 нм до 1000 нм в интервале 190-1100 нм. Одновременно обеспечить высокую светосилу и разрешение в спектрометрах не позволяют элементы оптической схемы, поэтому схема Черни-Тернера и схема с вогнутой решеткой с плоским полем одинаково востребованы. Если важно иметь хорошее спектральное разрешение в широком диапазоне, например, в атомно-эмиссионном анализе, когда аналитические линии могут быть равномерно распределены по рабочему диапазону спектрометра и нужно зарегистрировать каждую, оптимальной является схема Черни-Тернера. С другой стороны, для спектров люминесценции или рамановского рассеяния на первый план выходит возможность зарегистрировать излучение низкой интенсивности. В этом случае предпочтительнее спектрометр с вогнутой решеткой с плоским полем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лабусов В. А. Приборы и комплексы компании «ВМК-Оптоэлектроника» для атом-но-эмиссионного спектрального анализа. Современное состояние // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2015. - Т. 81, № 1/2. - С. 12-21.
2. Tang Ming, Fan Xianguang, Wang Xin, Xu Yingjie, Que Jing, He Jian. General study of asymmetrical crossed Czerny-Turner spectrometer // Applied Optics. - 2015. - Vol. 54 (33). -С.9966-9975.
3. Лабусов В. А., Путьмаков А. Н., Саушкин М. С., Зарубин И. А., Селюнин Д. О. Многоканальный спектрометр «Колибри-2» и его использование для одновременного определения щелочных и щелочноземельных металлов методом пламенной фотометрии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2007. - Т. 73, № S. - С. 35-39.
4. Белокопытов А. А., Лукин А. В., Максакова Л. А., Муслимов Э. Р., Саттаров Ф. А., Шигапова Н. М. Светосильные вогнутые голограммные дифракционные решетки с плоским полем для малогабаритных спектрометров // Голография. Наука и практика: Сборник трудов 12-й Международной конференции «ГолоЭкспо 2015» (Казань, 12-15 октября 2015 г.). - Казань : КНИТУ, 2015. - С. 125-127.
5. Palmer C. Diffraction Grating Handbook - 7th ed. - New York : Newport Corporation, 2014. - 265 p.
6. Holographic fabrication of large-constant concave gratings for wide-range flat-field spectrometers with the addition of a concave lens / Qian Zhou, Xinghui Li, Kai Ni, Rui Tian, and Jinchao Pang // Optics Express. - 2016. - № 24 (2). - P. 732-738.
7. Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов. - Изд. 2-е, доп. и перераб. - Л. : «Машиностроение», 1975. - 312 с.
8. Путьмаков А. Н., Зарубин И. А., Бурумов И. Д., Селюнин Д. О. Спектрометр «Павлин» для пламенного атомно-эмиссионного спектрального анализа // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2015. - Т. 81, № 1-II. - С. 105-108.
9. Зарубин И. А. Возможности малогабаритного спектрометра «Колибри-2» в атомно-эмиссионном спектральном анализе // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2017. - Т. 83, № 1, ч. 2. - С. 114-117.
10. Estrada C. F. Changing the science of mineralogy: The use of Raman spectroscopy in mineral identification and the RRUFF project // Outcrop, Newsletter of the Rocky Mountain Association of Geologists. - 2007. - № 55. - C. 1-8.
REFERENCES
1. Labusov, V. A. (2015). Devices and complexes of the company "VMK-Optoelektronica" for atomic-emission spectral analysis. Current state. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov [Industrial Laboratory], 81(1/2), 12-21 [in Russian].
2. Tang, M., Fan, X., Wang, X., Xu, Y., Que, J., & He, J. (2015). General study of asymmetrical crossed Czerny-Turner spectrometer. Applied Optics, 54(33), 9966-9975.
3. Labusov, V. A., Put'makov, A. N., Saushkin, M. S., Zarubin, I. A., & Selyunin, D. O. (2007). Multichannel spectrometer "Kolibri-2" and its use for simultaneous determination of alkaline and alkaline-earth metals by the method of flame photometry. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov [Industrial Laboratory], 73(S), 35-39 [in Russian].
4. Belokopytov, A. A., Lukin, A. V., Maksakova, L. A., Muslimov, E. R., Sattarov, F. A., & Shigapova, N. M. (2015). Fast concave holographic flat-field gratings for small-sized spectrometers. In Sbornik trudov "GoloEHkspo 2015": 12-j Mezhdunarodnoj konferencii [Proceedings of "GoloEHkspo 2015": 12th International Scientific Conference] (pp. 125-127). Kazan: KNRTU [in Russian].
5. Palmer, C. (2014). Diffraction Grating Handbook. New York: Newport Corporation.
6. Zhou, Q., Li, X., Ni, K., Tian, R., & Pang, J. (2016). Holographic fabrication of large-constant concave gratings for wide-range flat-field spectrometers with the addition of a concave lens. Optics Express, 24(2), 732-738.
7. Pejsahson, I. V. (1975). Optika spektral'nyh priborov [Optics of spectral devices]. L.: «Mashinostroenie» [in Russian].
8. Put'makov, A. N., Zarubin, I. A., Burumov, I. D., & Selyunin, D. O. (2015). Spectrometer "Pavlin" for flame atomic emission spectroscopic analysis. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov [Industrial Laboratory], 81(1-II), 105-108 [in Russian].
9. Zarubin, I. A. (2017). Possibilities of a small-sized "Kolibri-2" spectrometer in atomic emission spectroscopic analysis. Zavodskaya Laboratoriya. Diagnostika Materialov [Industrial Laboratory], 83(1, part 2), 114-117 [in Russian].
10. Estrada, C. F. (2007). Changing the science of mineralogy: The use of Raman spectroscopy in mineral identification and the RRUFF project. Outcrop, Newsletter of the Rocky Mountain Association of Geologists, 55, 1-8.
© И. А. Зарубин, В. А. Лабусов, С. А. Бабин, 2018
