Difrakcijski spektroskop. Uradi sam difrakcijska rešetka s DVD diska

Svakako pogledajte videe na kanalima (postoje playliste):

https://www.youtube.com/channel/UCn5qLf1n8NS-kd7MAatofHw

https://www.youtube.com/channel/UCoE9-mQgO6uRPBQ9lsPZXxA

Molimo pomozite da dođete do 1000 pretplatnika na prvom kanalu i najmanje 4000 sati gledanja za Prošle godine na svakom od njih, za ovo pogledajte barem jedan video u cijelosti!

Ovaj Lijepa slika je fotografija svjetlosti i infracrvenog spektra koju emitira natrijeva svjetiljka visokotlačni NLVD tip DNAT(Arc Sodium Tubular). Za pregled i fotografiranje raznih spektara dovoljno je imati Digitalna kamera i posebno pripremljen CD-R ili DVD-R. Potonji podcjenjuje svjetlinu, posebno crvenu. CD-R smanjuje svjetlinu plave i daje manju rezoluciju. Prva fotografija snimljena je putem DVD-R.

Dvije žute linije su natrijev dublet na 588,995 i 589,5924 nm. Drugi dublet je infracrveni 818,3 i 819,4 nm.

Prikaz spektra.

Sada nekoliko riječi o pripremi diskova. Iz diska morate izrezati dio koji vam omogućuje potpuno prekrivanje leće.

Na slici DVD-R ljubičasta. Trebamo prozirna difrakcijska rešetka, pa na CD-R zalijepimo široku ljepljivu traku sa strane natpisa. Otkinemo ga i zajedno s ljepljivom trakom skinemo premaz s diska. S DVD-R je još lakše, izrezani komad se lako rasloji na dva dijela od kojih nam jedan treba.

Sada, pomoću dvostrane trake, trebate zalijepiti difrakcijsku rešetku na leću, kao na slici ispod. Morate lijepiti na stranu suprotnu od one s koje je sloj otrgnut, jer. površina ispod sloja se lako kontaminira lećom, a nakon čišćenja kvaliteta slike spektra bit će lošija.

Rezultat je bio jednostavan spektroskop, najprikladniji za proučavanje izvora svjetlosti s određene udaljenosti.

Ako želimo proučavati ne samo vidljivi spektar, već i infracrveni, au nekim slučajevima i ultraljubičasti, tada je potrebno ukloniti filtar koji blokira IR zrake iz fotoaparata. Vrijedno je napomenuti da dio IR i UV spektra vidljiv je oku pri dovoljno visokom intenzitetu zračenja (laserske točke 780 i 808 nm, LED kristal 940 nm u mraku). Ako je potrebno osigurati isti vizualni doživljaj za valne duljine od 760 nm i 555 nm, tada tok zračenja za 760 nm mora biti 20 000 puta jači. A za 365 nm je milijun puta snažniji.

Vratimo se filteru koji se zove Hot Mirror i nalazi se ispred matrice. Potrebno je otvoriti kućište fotoaparata, odvrnuti vijke koji pričvršćuju matricu na objektiv, izvući filter, sastaviti fotoaparat obrnutim redoslijedom. Hot Mirror izgleda ovako:

2 lijeva filtera s kamera. Imaju ružičasti sjaj tirkiz pojavljuje iz drugog kuta. Osim IR, mogu također djelomično ili potpuno blokirati ultraljubičaste zrake. Stoga njihovo uklanjanje otvara mogućnosti ne samo za infracrvenu fotografiju, već i ultraljubičasto, ako optika i matrica kamere dopuštaju. Za UV fotografiju koriste se UV-propusni filtri za blokiranje vidljive svjetlosti.

Sada se okrećemo samom procesu fotografiranja spektra. Soba bi trebala biti mračna, osim toga, možete koristiti crni ekran u blizini kamere, točkasti ili prorezni izvor svjetlosti, minimalno osvjetljavajući sobu. Uključivanjem kamere vidjet ćemo takvu sliku na primjeru lasera od 405 nm koji svijetli kroz uski razmak između dvije lopatice:

Središnja točka je sam laser. Dvije linije - njegov spektar. Možete koristiti bilo koji od njih. Da biste to učinili, okrenite kameru i povećajte. Ako nastavimo pomicati kameru, tada ćemo vidjeti nekoliko drugih redaka drugog, trećeg itd. spektralne narudžbe. U nekim će slučajevima ometati, na primjer, zelena linija drugog reda će se superponirati na infracrvenu liniju od 1064 nm. To se događa u spektru zelenog lasera, ako nema filtar koji prekida IR zračenje. Nalazi se dolje desno na fotografiji filtera. Za uklanjanje sloja koristio sam crveni filter. Fotografija ovog primjera s označenim valnim duljinama:

Kao što vidite, zelena linija drugog reda potpuno je prekrila liniju od 1064 nm. I sljedeća fotografija s blokiranim zeleno svjetlo, gdje ostaju samo dvije IR linije na 808 nm i 1064 nm. Nisam potpisao, jer lokacija je identična prethodnoj fotografiji.

Iz slike, gdje postoji izvor zračenja, jedna poznata valna duljina i nekoliko nepoznatih, mogu se lako identificirati. Na primjer, otvorite fotografiju s natpisima u Photoshopu. Pomoću alat za ravnalo mjerimo udaljenost od lasera do linije 532. Jednaka je 1876 piksela. Mjerimo udaljenost od lasera do linije čiju valnu duljinu želimo znati, do 808. Udaljenost je 2815 p. Smatramo 532*2815/1876=798 nm. Netočnost je posljedica izobličenja optike leće. Pri maksimalnoj optičkoj aproksimaciji pogreška se smanjuje. Također je primijećeno da laser od 808 nm emitira kraću valnu duljinu, oko 802 nm, a njegova se valna duljina smanjuje kako se struja napajanja smanjuje.

I bez izvora zračenja na fotografiji, možete odrediti poznavajući druge dvije valne duljine. Mjerimo duljinu od linije 532 do 1064, tu je 1901 p. Od 532 do 808 dobivamo 939 p. Brojimo (1064-532) / 1901 * 939 + 532 \u003d 795 nm.

​

Ali najlakši način je usporediti fotografiju s dvije poznate linije mjerilo. U ovom slučaju ništa ne treba brojati.

Unaprijediti spektar žarulje sa žarnom niti, koji je vrlo sličan spektru Sunca, ali ne sadrži Fraunhoferove linije. Zanimljivo, kamera infracrveno zračenje do 800 nm prikazuje kao narančasto, a više od 800 nm izgleda kao ljubičasto.

Bijeli LED spektar također kontinuirano, ali ima pad ispred zelene regije i vrhunac u plavoj regiji od 450-460 nm, što je uzrokovano upotrebom odgovarajuće plave LED presvučene žutim fosforom. Što je viša temperatura boje LED-a, to je veći plavi vrh. Nedostaju mu ultraljubičaste i infracrvene zrake, koje su bile prisutne u spektru žarulje sa žarnom niti.

I ovdje spektar lampe s hladnom katodom od pozadinskog osvjetljenja monitora. Linearan je i točno se ponavlja spektra fluorescentne svjetiljke. IR dio spektra uzima se iz CFL da bi se dobio najbolja kvaliteta Slike.

Sada prijeđimo na crno svjetlo ultraljubičasta lampa, ili, kako se još naziva, Woodova svjetiljka. Emitira meku dugovalnu ultraljubičastu svjetlost. Fotografija je ispala ovako:

Infracrveni spektar za fluorescentne svjetiljke, CCFL, Wood je gotovo isti. Samo potonjem nedostaje nekoliko linija najbližih vidljivom rasponu. IC zrake se najintenzivnije emitiraju iz onih dijelova lampi gdje se nalaze žarne niti. Fotografija je snimljena kroz papirnati spektroskop, o čemu više u nastavku.

papirnati spektroskop.

Takav spektroskop je vrlo prikladan za gledanje spektra okom. Također se može koristiti s različitim kamerama, poput telefona. Postoje dvije varijante.

1. Djeluje u prijenosu kroz difrakcijsku rešetku. Za to morate pripremiti diskove, kao što je gore opisano. Datoteka sadrži crtež koji je potrebno isprintati na printeru, izrezati, presavinuti i zalijepiti. Slike montaže se mogu pogledati.

2. Radovi na refleksiji od difrakcijske rešetke. Diskove ne možete odlojiti, ali tada će se pored svijetlih linija od lasera pojaviti blijedi duplikati, zbog refleksija unutar diska, koji ne bi trebali biti u spektru. Vrlo je teško prenijeti sjajni CD sloj na drugu površinu tako da ostane glatka kakva jest. Stoga morate koristiti CD koji ima istu prelijepu površinu s obje strane. Sa strane gdje se nalaze natpisi na običnim diskovima, potrebno je otkinuti prozirni sloj ljepljivom trakom. Važno je da sjajni sloj ostane na disku. Uspio sam to napraviti s pola diska (od ruba prema sredini), to je bilo dovoljno za spektroskop. Ako ne otkinete prozirni sloj, tada će jednolični spektar izgledati isprekidano s izmjeničnim tamnim prugama.

Datoteka za ispis. Pomoć pri sklapanju.

Zalijepljen za spektroskop dodatni prsten, kojim se drži na objektivu fotoaparata. Između izvora svjetlosti i spektroskopa preporuča se staviti mat film ili prizmu sa dva mat ruba, kao na fotografiji, za bolju distribuciju svjetla. Unutarnji dio spektroskop od crnog papira bez sjaja, drugi sloj folije, a na vrhu običan papir na kojoj je otisnut crtež. Strana na koju ulazi svjetlost može se obojiti u crno kako UV i ljubičasto zračenje ne bi uzrokovalo bijeli sjaj papira da iskrivi sliku.

Uz pomoć ovog spektroskopa bilo je moguće jasno i svijetlo fotografirati spektralna neonska indikatorska lampa. Koriste se za osvjetljavanje prekidača, u indikatorima rada kuhala za vodu, štednjaka i drugih aparata.

Ne daju samo laseri jednu tanku liniju spektra. Ako se žica spusti u otopinu soli NaCl, a zatim se u vatru doda plinski turbo plamenik ili upaljač, tada žuti sjaj s valnim duljinama 588,995 i 589,5924 nm.

Neki turbo upaljači imaju pločicu koja sadrži litij. Boji plamen crvena s linijom 670,78 nm.

Ispod je fotografija ovih spektralnih linija zajedno s laserskim linijama: zelena 532 nm, crvena 663 nm, infracrvena 780 nm i 808 nm.

Prikladno je koristiti gore opisano žuto svjetlo za određivanje perioda difrakcijske rešetke u nedostatku lasera, i izračunavanje valne duljine izvora svjetlosti. Najjednostavniji uređaj na donjoj slici sastoji se od dva ravnala, na jednom od kojih je fiksirana difrakcijska rešetka, a uski prorez od dvije lopatice uzdiže se iznad drugog. Koriste se udaljenosti u milimetrima od difrakcijske rešetke do ekrana (ravnala) s prorezom i od proreza (maksimum nultog reda) do maksimuma prvog reda. Na prvoj slici morate kroz difrakcijsku rešetku gledati izvor svjetlosti poznate valne duljine. Dakle, pomoću formule ispod ove slike možete izračunati period ogibne rešetke, a zatim na isti način odrediti valnu duljinu, ali pomoću formule ispod druge slike. Prikazuje određivanje valne duljine lasera na nešto drugačiji način: laser svijetli kroz difrakcijsku rešetku na ravnalo. U tom slučaju utor nije potreban. Koristio sam difrakcijsku rešetku iz mlaznice " zvjezdano nebo", koji je došao s laserskim pokazivačem. Postoje dvije rešetke, ali je mlaznica rastavljena i jedna je izvučena. Difrakcijska rešetka s CD-a nikako nije odgovarala, jer je davala ogromnu grešku od 100 nm.

Sljedeća fotografija je rijedak izvor svjetlosti - munja. Spektar ide u UV područje do oko 373 nm, što je granica za ovu kameru.

Spektar bijele žarulje s izbojem koja osvjetljava nogometno igralište.

Spektralna fotografija UV LED 365 nm 3 W KW-UV-3WS-B KonWin.

LED s valnom duljinom od 365 nanometara ima takav kristal:

Emitira ultraljubičasto zajedno s bijelom svjetlošću. Ako osvijetlite crnu svjetiljku na isključenu LED diodu, tada kristal počinje fluorescirati istim lunarnim bijelim svjetlom kao i kada LED sama radi, ali s nižom svjetlinom. Čini se da zbog ovog efekta nije moguće napraviti LED s čistom emisijom od 365 nm - 370 nm.

U prethodnim sam člancima opisao kako sam testirao različite LED diode za biljke. Za analizu spektra, uzeo sam od poznatog nastavnika fizike.

No potreba za takvim uređajem javlja se povremeno i bilo bi poželjno imati pri ruci spektroskop, a još bolje spektrometar.

Moj izbor je nakitni spektroskop s difrakcijskom rešetkom

Jednom stvar za draguljare, a zatim je set uključivao "kožnu" torbicu

Veličina spektroskopa je mala

Što je još bilo jasno iz opisa trgovine
Sve je čvrsto sastavljeno, tako da neće biti komadanja.
Uz to vjerujmo da se s jedne strane cijevi nalazi leća objektiva, s druge strane difrakcijska rešetka i zaštitno staklo.

A unutra je prekrasna duga. Nakon što joj se dosta divio, počeo je gledati, ali kako bi bilo gledati u spektar.
Nažalost, spektroskop se nije mogao koristiti za njegovu namjenu, budući da je cijela moja zbirka dijamanata i drago kamenje ograničeno vjenčani prsten, potpuno neproziran i bez spektra. Pa, osim u plamenu plamenika))).
Ali živina fluorescentna svjetiljka iskreno je dala puno lijepih pruga. dovoljno se diveći razni izvori Sveta je bila zbunjena pitanjem kako popraviti sliku i izmjeriti spektar.

Mali DIY

Dugo mi se u glavi vrti slika priključka za kameru, a ispod stola je stajao, koji još nije prošao najnoviju modernizaciju, ali se prilično uspješno nosio s PVC plastikom.

Dizajn nije baš lijep. Svejedno, povratnu reakciju u X i Y nisam izborio do kraja. Ništa Kuglični vijci su već sastavljeni i čekaju da stignu potporne linearne tračnice.

No funkcionalnost se pokazala sasvim prihvatljivom pa se duga prikazuje na starom Canonu koji je dugo bio u mirovanju.

Istina, tu sam se razočarao. Prekrasna duga postala je nekako diskretna.

Sve je krivo - RGB matrica bilo koje kamere i kamere. Igranje s postavkama ravnoteže bijela boja i načina snimanja, pomirio sam se sa slikom.
Uostalom, lom svjetlosti ne ovisi o tome koju boju popraviti sliku. Za spektralnu analizu bila bi prikladna i crno-bijela kamera s najujednačenijom osjetljivošću po cijeloj širini mjerenog raspona.

Metoda spektralne analize.

Kroz pokušaje i pogreške, došao sam do ove tehnike.
1. Nacrtana je slika ljestvice raspona vidljive svjetlosti (400-720nm), na kojoj su naznačene glavne linije žive za kalibraciju.

2. Uzima se nekoliko spektara, uvijek s referentnim živinim. U nizu snimaka potrebno je fiksirati položaj spektroskopa na leći kako bi se isključio pomak spektra iz niza snimaka horizontalno.

3. U grafičkom uređivaču, skala je prilagođena da odgovara spektru žive, a svi ostali spektri su skalirani bez horizontalnog pomaka u uređivaču. Ispada ovako nešto

4. Pa, onda je sve ubačeno u program analizator spektrometra mobitela iz ovog članka

Tehniku ​​provjeravamo na zelenom laseru, čija je valna duljina poznata - 532nm

Ispostavilo se da je pogreška oko 1%, što je vrlo dobro s ručnom metodom postavljanja živinih linija i crtanja ljestvice gotovo rukom.
Usput sam naučio da zeleni laseri nisu izravno zračenje, poput crvenih ili plavih, već koriste pumpanje solid-state diode (DPSS) s hrpom sekundarnog zračenja. Živi i uči!

Mjerenje valne duljine crvenog lasera također je potvrdilo ispravnost tehnike.

Interesa radi, izmjerio sam spektar svijeće

i izgaranje prirodnog plina

Sada možete mjeriti spektar LED dioda, na primjer "puni spektar" za biljke

Spektrometar je spreman i radi. Sada ću s njim pripremiti sljedeću recenziju - usporedbu karakteristika LED dioda različitih proizvođača zavaravaju li nas Kinezi i kako napraviti pravi izbor.

Ukratko, zadovoljan sam rezultatom. Možda je imalo smisla spojiti spektroskop na web kameru za kontinuirano mjerenje spektra, kao u ovom projektu

Ispitivanje spektrometrom od strane mog pomoćnika

Bok svima! Gledate Fire TV! Danas ćemo učiniti spektrometar!

Vjerojatno su svi već čuli da je za zdravlje vrlo važno da izvori svjetlosti u stanu i na poslu imaju puni spektar svjetlosti.

Ali kako znati koji spektar ima vaša žarulja?

Trebate spektrometar. Kupovne su vrlo skupe, a domaće se mogu napraviti vrlo jednostavno i ne zahtijevaju posebnu preciznost za izradu.
Čak i ako imate dvije noge umjesto ruku i obje su vam ostale, još uvijek možete sastaviti ovu stvar i uspjet će!

Prvo, napravimo kućište od debelog papira ili kartona. Već sam provjerio nekoliko opcija i empirijski ih pokupio tražene dimenzije. Ako odjednom odlučite sastaviti istu stvar, onda sam nacrtao spremna shema, koji se može preuzeti na mojoj web stranici, isprintan na običnom listu, izrezan i zalijepljen.

Unutarnja površina ne smije reflektirati svjetlost, inače će slika biti preeksponirana.
Marker će savršeno obaviti posao. Prebojao sam sve dijelove kartona koji su mogli biti izloženi svjetlu.

Sada vam je potrebna difrakcijska rešetka. Ona je ta koja razbija snop svjetlosti u spektar.

Možete ga nabaviti s bilo kojeg CD-a, DVD-a ili Blu-ray diska

Struktura optičkih diskova dizajnirana je na način da imaju male nepravilnosti koje uzrokuju difrakciju svjetlosti.

Žigosani diskovi imaju nepravilnosti u obliku malih crtica, a prepisivi prazni diskovi u početku imaju ravne utore.

U principu nije svejedno koje diskove koristiti, ali je poželjno da ti utori ili neravnine budu što češće, DVD diskovi su najbolja opcija.

Sada idemo trošiti najjednostavniji eksperiment. Svjetlost žarulje će pasti na disk i dio će se reflektirati u obliku male duge, to će biti spektar izvora svjetlosti.

Da biste snimili cijeli spektar, morate pomaknuti kameru vrlo blizu.

Ovako izgleda spektar svjetlosti koji dolazi led lampa.

A ovako izgleda spektar štedne žarulje, razlika je ogromna.

Ali u spektru obične žarulje sa žarnom niti jasno je da u njenom spektru ima puno crvene komponente.

A ovo je spektar vidljive svjetlosti ultraljubičasta lampa, jasno je da osim ljubičaste sadrži i zelenu.

Sada usporedimo tri različita praznina:

Ovdje vidimo da CD ima najlošiji rezultat, boje su previše isprane.

Podjelu svjetlosti na spektar možete vidjeti ako svjetiljkom posvijetlite središte diska ili stavite disk iza goruće svijeće, dobiva se vrlo lijep efekt.

Povratak na naš spektrometar!

Izrežite pravokutni komad odgovarajuće veličine.

Nakon što je disk odrezan sa svih strana, vrlo lako se može podijeliti na dva dijela, zrcalni i prozirni.

Trebamo prozirni dio. Zalijepim ga na karton.

Sada pažljivo zalijepite tijelo.

Dobro je ispalo, ali sam kao i uvijek nakapala ljepilo na najkritičniji dio.
U principu, najjednostavniji uređaj za promatranje spektra svjetlosti je spreman.

Jednostavno ga usmjerite prema bilo kojem izvoru svjetla i pogledajte plastičnu ploču.

Ako prislonite dobivenu kutiju na kameru svog pametnog telefona, možete slikati i analizirati spektar iz njih, kasnije ću vam pokazati kako to učiniti.

Kao što vidite, kroz takav uređaj spektar se može jasnije vidjeti, a to je posebno vidljivo kada gledate fluorescentnu svjetiljku. Sve vršne vrijednosti su jasnije vidljive.

Fotografiranje nije baš zgodno, puno je praktičnije analizirati izvor svjetla u stvarnom vremenu!

Da biste to učinili, samo trebate prisloniti web kameru izravno na plastičnu platinu.

Također je bilo moguće smisliti nosač od kartona, ali sam odlučio napraviti izdržljiviju verziju uređaja od plastične ploče. Ovo je PVC pjenasta plastika, jedan od mojih omiljenih materijala, lako se reže i lijepi super ljepilom. Svašta se može napraviti od njega, često ga koristim i pitali su me kako se zove i gdje ga nabaviti. Samo potražite "PVC pjena" ili "dummy plastic" i sigurno ćete pronaći ono što vam treba.

U plastičnom spektrometru napravio sam pomični zatvarač kako bi se moglo regulirati količina svjetlosti koja ulazi u uređaj.

Za fotoaparat sam napravio malo tijelo, nakon što sam ručno prilagodio fokus na objekte koji su udaljeni oko jedan metar od objektiva.

Kućište s kamerom pričvršćujem na glavni dio uređaja na način da postoji mali otvor u koji će se moći ugurati komadić diska, po potrebi ih mogu promijeniti.
Zalijepim čep s prorezom na poleđini tako da možete izgurati komad diska iz kućišta za zamjenu.

Kako bi uređaj stajao pouzdano i mogao se jasno namjestiti, pričvrstio sam noge na njega i pričvrstio ih na komad šperploče. Sada se spektrometar može usmjeriti prema izvoru svjetlosti i mjerenja se mogu mirno izvoditi.

Daljnji rad će se odvijati ovdje na ovoj stranici, au opisu ćete pronaći i poveznicu na nju.
Pritisnite tipku "hvatanje spektra".

Pomičemo uređaj tako da bolje hvata svjetlost, podešavamo zatvarač za podešavanje svjetline i kliknemo na središte naše duge, tako da žuta traka prođe kroz cijeli spektar što je više moguće. Vrijednosti ispod ove trake očitat će se s kamere.

Pritisnite plavi gumb "Start".

Vidimo kako se pojavio grafikon u stvarnom vremenu, ali vrijednosti u nanometrima nisu sasvim točne, potrebna je kalibracija.

Na stranici koja se otvori kliknite gumb "kalibriraj".

Sada morate povući plavu i zelene boje, tako da se vršne vrijednosti otprilike podudaraju s vašim spektrom. Usput, kalibraciju trebate izvršiti samo pri svjetlu štednih fluorescentnih svjetiljki, one imaju najisprekidaniji spektar i možete vidjeti vršne vrijednosti.

Nakon što se plava i zelena boja pomaknu na svoje mjesto, ponovno pritisnemo tipku "spectrum capture" i dobijemo spektar s kalibriranim vrijednostima.

Ako pomaknete zatvarač, možete vidjeti kako se svjetlina mijenja.

Stavio sam žarulju sa žarnom niti i vidio da je njen spektar prevelik plave boje, ali to ne može biti, za žarulje sa žarnom niti crvena boja prevladava u spektru.

Sjetio sam se da komad DVD diska nije bio proziran, već blago ljubičast. To je bilo dovoljno da se spektar snažno pomakne na plavu stranu. Morao sam izrezati još jedan disk i pronaći prozirnu plastiku koja ne bi izobličila boju.
Nakon zamjene i kalibracije sve se vratilo u normalu, u spektru žarulje sa žarnom niti sada ima puno crvene i malo plave boje.
Spektar LED svjetiljke vrlo je sličan žarulji sa žarnom niti.

A sada laserski pokazivač!
Teško je dobiti stabilnu vrijednost, ali ipak možete vidjeti da je glavni vrh oko 650 nanometara.
To odgovara deklariranim karakteristikama navedenim na etiketi. 650 plus ili minus 10 nanometara.

I opet, pogledajmo ultraljubičastu svjetiljku.

Kamera hvata samo vidljivi spektar svjetla, a može vidjeti samo plavu, ljubičastu i malo zelene.

Nekako smo shvatili video snimanje spektra, ali što učiniti s fotografijama snimljenim telefonom?

Dobivene fotografije otvorim u grafičkom editoru, odaberem najljepši dio spektra i razvučem ga u visinu. Važno je da je plavi dio spektra lijevo ili gore, to je neophodno za analizu.

Zatim postavljam na stranicu i kalibriram kao prije.
Spektar fluorescentne svjetiljke lako je kalibrirati, ali sa spektrima drugih svjetiljki morat ćete pokušati.
U principu, ako popravite telefon i slikate prvo fluorescentnu lampu, a zatim i druge izvore svjetlosti, a da ne pomaknete telefon da ništa ne zaluta, onda možete prilično precizno proučavati i njihov spektar.

Korištenje stranice za analizu spektra nije baš zgodno, ali nisam našao druge mogućnosti. Ako imate ideje kako analizirati spektar na praktičniji način, svakako ih napišite u komentarima.
To je sve za mene, do novog susreta, bok!

Na dijagramu: 1 - izvor zračenja, 2,4 - kolimirajuća optika, 3 - ulazni otvor, 5 - fiksno zrcalo, 6 - pomično zrcalo, 7 - pogon zrcala, 8 - razdjelnik snopa, 9 - laser referentnog kanala, 10 - referentni kanalni fotodetektorski kanal, 11 - fokusirajuća optika, 12 - signalni fotodetektor.

Kako bi se stabilizirala brzina kretanja pomičnog zrcala i osiguralo "vezivanje" spektrometra na apsolutne vrijednosti valnih duljina, u spektrometar se uvodi referentni kanal koji se sastoji od lasera i njegovog fotodetektora (9 i 12 u dijagramu). Laser u ovom slučaju djeluje kao standard valne duljine. Visokokvalitetni spektrometri u tu svrhu koriste jednofrekventne plinske lasere. Zbog toga je točnost mjerenja valnih duljina vrlo visoka.

Fourierovi spektrometri imaju i druge prednosti pred klasičnim spektrometrima.
Važna značajka Fourier spektrometri - pri korištenju samo jednog fotodetektora istovremeno se snimaju svi spektralni elementi, što daje energetski dobitak u odnosu na mehaničko skeniranje element po element (Felgettovo pojačanje).

Fourier spektrometri ne zahtijevaju upotrebu optičkih proreza, koji blokiraju većinu svjetlosnog toka, što daje veliki dobitak u omjeru otvora blende (Jacquinot dobitak).

Kod Fourierovih spektrometara ne postoji problem aliasinga, kao kod spektrometara s difrakcijskom rešetkom, zbog čega spektralni raspon proučavanog zračenja može biti vrlo širok, a određen je parametrima fotodetektora i djelitelja snopa.

Razlučivost Fourierovih spektrometara može biti mnogo veća od tradicionalnih spektrometara. Određuje se razlikom hoda pomičnog zrcala Δ. Dopušteni interval valova određen je izrazom: δλ = λ^2/Δ

Međutim, također postoji važan nedostatak- velika mehanička i optička složenost spektrometra. Da bi došlo do smetnji, oba zrcala interferometra moraju biti vrlo precizno postavljena okomito jedno na drugo. U tom slučaju jedno od zrcala mora oscilirati uzdužno, ali se okomitost mora održavati s istom točnošću. U visokokvalitetnim spektrometrima, u nekim slučajevima, za kompenzaciju nagiba pomičnog zrcala tijekom kretanja, piezoelektrični aktuatori naginju fiksno zrcalo. Da bi se dobila informacija o trenutnom nagibu, mjere se parametri referentne zrake lasera.

Praksa

Jedan od najvažnijih dijelova spektrometra je nepomični sklop zrcala. On je taj koji će morati biti prilagođen (glatko pomaknut) tijekom procesa montaže. Bilo je potrebno osigurati mogućnost naginjanja ogledala duž dvije osi i precizno ga pomicati u uzdužnom smjeru (zašto - niže), dok se ogledalo ne bi trebalo naginjati.

Osnova sklopa fiksnog zrcala bio je jednoosni stol s mikrometrijskim vijkom. Već sam imao te čvorove, samo ih je trebalo spojiti. Za komunikaciju bez zazora, koristio sam jednostavno stezanje postolja na mikrometarski vijak s oprugom smještenom unutar baze postolja.

Napravio sam ovo koristeći tri vijka za podešavanje izvađena iz slomljenog teodolita. Metalna ploča sa zalijepljenim zrcalom pritisnuta je oprugama na krajeve ovih vijaka, a sami su vijci učvršćeni u metalni kutak zavrnut na
stol.

Dizajn je jasan na fotografijama:

Možete vidjeti vijke za podešavanje ogledala i mikrometarski vijak.

Možete vidjeti ogledalo ispred. Preuzeto je sa skenera. Važna karakteristika zrcala je da zrcalni premaz mora biti ispred zrcala, a kako interferencijske linije ne bi bile krive, površina zrcala mora biti prilično kvalitetna.

Pogled odozgo:

Možete vidjeti opruge koje pritišću stol u mikrometarskom vijku i pričvršćuju ploču sa zrcalom za kut.

Kao što možete vidjeti na fotografijama, sklop fiksnog ogledala pričvršćen je na ploču iverice. drvena podloga interferometar - očito ne Najbolja odluka, ali bilo je problematično napraviti ga od metala kod kuće.

Sada možete provjeriti mogućnost dobivanja smetnji kod kuće - to jest sastaviti interferometar. Jedno zrcalo već postoji, pa moramo dodati drugo testno zrcalo i razdjelnik snopa. Imao sam kocku za dijeljenje snopa i koristio sam je, iako kocka u interferometru radi lošije od ploče za dijeljenje snopa - njezine strane daju dodatne rerefleksije svjetlosti. Rezultirajući dizajn je:

Na jednu od strana kocke, ne okrenutu prema zrcalu, trebate usmjeriti svjetlo, a kroz drugu možete promatrati smetnje.

Nakon sastavljanja, zrcala su previše izvan okomitosti i stoga se mora izvesti početno poravnanje. Napravio sam ga koristeći lasersku diodu male snage spojenu na dovoljnu kolimirajuću leću velikog promjera. Na laser se mora primijeniti vrlo mala struja - takva da možete gledati izravno u kristal. Rezultat je točkasti izvor svjetlosti.

Laser se postavlja ispred interferometra, a kroz kocku se promatraju njegove refleksije u zrcalima. Radi lakšeg promatranja, pričvrstio sam prizmu na kocku, usmjeravajući zračenje koje je izlazilo iz kocke prema gore. Sada, okretanjem vijaka za podešavanje zrcala, trebamo spojiti dva vidljiva odraza lasera u jedan.

Nažalost, nemam fotografije ovog procesa i ne izgleda baš jasno - zbog odsjaja u kocki možete vidjeti puno svjetlećih točkica. Sve postaje puno jasnije kada počnete okretati vijke za podešavanje - neke se točke počinju pomicati, a neke ostaju na mjestu.

Nakon što su zrcala postavljena na gore opisani način, dovoljno je povećati snagu lasera - i eto ga, smetnje! Izgleda gotovo isto kao na fotografiji na početku članka. No, lasersko zračenje opasno je promatrati očima, pa da biste vidjeli smetnje, nakon kocke morate postaviti nekakav ekran. Koristio sam običan list papira koji pokazuje interferencijske rubove - snaga i koherencija lasera dovoljni su za stvaranje dovoljno kontrastne slike. Okretanjem vijaka za podešavanje ogledala možete promijeniti širinu pruga - očito je da je problematično promatrati preuske pruge. Što je interferometar bolje usklađen, to su rubovi širi. Međutim, kao što sam već spomenula, najmanja odstupanja zrcala dovode do neusklađenosti, a posljedično, linije postaju preuske i nerazlučive. Osjetljivost rezultirajućeg interferometra na deformacije i vibracije je ogromna - samo pritisnite osnovnu ploču bilo gdje i linije se počinju pomicati. Čak i koraci u sobi uzrokuju drhtanje linija.

Međutim, interferencija koherentne laserske svjetlosti još nije ono što je potrebno za rad Fourierovog spektrometra. Takav spektrometar trebao bi raditi s bilo kojim izvorom svjetlosti, uključujući i bijelu. Duljina koherencije bijele svjetlosti je oko 1 µm.
Za LED diode ova vrijednost može biti veća - nekoliko desetaka mikrometara. Interferometar stvara interferencijski uzorak samo kada je razlika u putanji svjetlosnih zraka između svakog zrcala i razdjelnika snopa manja od duljine koherencije zračenja. Za laser, pa i onaj poluvodički, on je velik - više od nekoliko milimetara, pa do smetnji dolazi odmah nakon poravnanja zrcala. Ali čak i od LED-a, smetnje je puno teže dobiti - pomicanjem zrcala u uzdužnom smjeru mikrometarskim vijkom morate osigurati da razlika u putanji zraka padne u željeni raspon mikrona.

Međutim, kao što sam već rekao, pri kretanju, posebno dovoljno velikom (stotine mikrona), zbog nedovoljno kvalitetne mehanike stola, zrcalo se može lagano okrenuti, što dovodi do činjenice da nestaju uvjeti za promatranje smetnji. Stoga je često potrebno ponovno instalirati laser umjesto LED-a i ispraviti poravnanje ogledala vijcima.

Na kraju, nakon pola sata pokušaja, kada se već činilo da to nije nimalo realno, uspio sam dobiti smetnje svjetla od LED-a.

Kako se pokazalo malo kasnije, umjesto da promatrate smetnje kroz papir na izlazu iz kocke, bolje je postaviti mat film ispred kocke - ovako ispada prošireni izvor svjetlosti. Kao rezultat toga, smetnje se mogu promatrati izravno očima, što znatno pojednostavljuje promatranje.
Ispalo je ovako (možete vidjeti odraz kocke u prizmi):

Zatim smo uspjeli dobiti smetnje u bijelom svjetlu LED svjetiljke (na fotografiji je mat film - okrenut je prema kameri i na njemu se vidi mutna mrlja svjetla svjetiljke):

Ako dodirnete bilo koje zrcalo, linije se počnu pomicati i blijedjeti dok potpuno ne nestanu. Period linija ovisi o valnoj duljini zračenja, kao što je prikazano na sintetiziranoj slici koja se nalazi na internetu:

Sada kada je interferometar gotov, trebamo napraviti pokretno zrcalo umjesto testnog. U početku sam planirao jednostavno zalijepiti malo zrcalo na zvučnik i dovodeći struju na njega, promijeniti položaj zrcala. Rezultirajući dizajn je:

Nakon ugradnje, koja je zahtijevala ponovno podešavanje fiksnog zrcala, pokazalo se da se zrcalo previše njiše na membrani zvučnika i da se malo iskrivi kada struja prolazi kroz zvučnik. Međutim, mijenjanjem struje kroz zvučnik, bilo je moguće glatko pomicati zrcalo.

Stoga sam odlučio dizajn učiniti robusnijim, koristeći mehanizam koji se koristi u nekim spektrometrima - opružni paralelogram. Dizajn je jasan sa fotografije:

Pokazalo se da je dobiveni čvor mnogo jači od prethodnog, iako je krutost metalnih ploča-opruga bila nešto veća.

S lijeve strane - ploča od lesonita, s rupom-dijafragmom. Štiti spektrometar od vanjskog osvjetljenja.

Između rupe i kocke za dijeljenje snopa ugrađena je kolimirajuća leća, zalijepljena na metalni okvir:

Na okviru je vidljiv poseban plastični držač u koji se može umetnuti mat folija (nalazi se u donjem desnom kutu).

Leća za fotodetektor je instalirana. Instalira se između leće i kocke malo ogledalo na okretnom nosaču. Zamjenjuje prizmu koja se prethodno koristila. Fotografija s početka članka snimljena je preko njega. Kada se zrcalo okrene u položaj za promatranje, ono prekriva leću i registracija spektrograma postaje nemoguća. U tom slučaju trebate prestati davati signal zvučniku pomičnog zrcala - zbog prebrzih oscilacija linije nisu vidljive oku.

Još jedna jednoosna tablica vidljiva je dolje u sredini. U početku je na njega bio pričvršćen foto senzor, ali stol nije davao neke posebne prednosti, a kasnije sam ga uklonio.

Instalirana je leća za fokusiranje s prednje kamere:

Kako bih pojednostavio podešavanje i testiranje spektrometra, ugradio sam crvenu fotodiodu u blizini dijafragme.

Dioda je postavljena na poseban zakretni držač, tako da se može koristiti kao izvor ispitnog zračenja za spektrometar, dok je protok svjetlosti iz objektiva blokiran. LED dioda se kontrolira pomoću prekidača ugrađenog ispod držača.

Sada vrijedi razgovarati nešto više o foto senzorima. Prvotno je planirano koristiti samo jednu konvencionalnu silicijsku fotodiodu. No, prvi pokušaji izrade kvalitetnog fotodiodnog pojačala nisu uspjeli, pa sam se odlučio za fotosenzor OPT101 koji već sadrži pojačalo s faktorom konverzije 1000000 (1 μA -> 1V).

Ovaj senzor je dosta dobro radio, pogotovo nakon što sam skinuo spomenuti stol i precizno namjestio senzor visine.

Međutim, silicijska fotodioda može primiti samo zračenje u rasponu valne duljine od 400-1100 nm.
apsorpcijske linije razne tvari obično leže dalje i potrebna je još jedna dioda za njihovo otkrivanje.
Postoji nekoliko vrsta fotodioda za rad u bliskom IR području. Za jednostavan kućni uređaj najprikladnije su germanijske fotodiode, koje mogu primati zračenje u rasponu od 600 - 1700 nm. Ove diode proizvedene su još u SSSR-u, tako da su relativno jeftine i dostupne.

Osjetljivost fotodiode:

Uspio sam nabaviti fotodiode FD-3A i FD-9E111. U spektrometru sam koristio drugi - ima nešto veću osjetljivost. Za ovu fotodiodu još sam morao sastaviti pojačalo. Izrađen je pomoću operacijskog pojačala TL072. Da bi pojačalo radilo, bilo je potrebno osigurati mu napon negativnog polariteta. Da bih dobio ovaj napon, koristio sam gotov DC-DC pretvarač s galvanskom izolacijom.

Fotografija fotodiode s pojačalom:

Svjetlosni tok iz interferometra treba fokusirati na obje fotodiode. Razdjelnik snopa mogao bi se koristiti za odvajanje svjetla od leće, ali to bi oslabilo signale s dioda. Stoga je nakon leće ugrađeno još jedno okretno ogledalo s kojim možete usmjeriti svjetlo na željenu diodu. Kao rezultat toga, dobili smo takav čvor foto senzora:

Objektiv je u središtu fotografije, a laser referentnog kanala fiksiran je na vrhu. Laser je isti kao u daljinomjeru, preuzet s DVD pogona. Laser počinje stvarati visokokvalitetno koherentno zračenje samo pri određenoj struji. Snaga zračenja je prilično visoka. Stoga, kako bih ograničio snagu zrake, morao sam pokriti lasersku leću svjetlosnim filtrom. Desno je senzor na OPT101, ispod je germanijska fotodioda s pojačalom.

U referentnom kanalu za prijem laserskog zračenja koristi se fotodioda FD-263 čiji signal pojačava operacijsko pojačalo LM358. U ovom kanalu, razina signala je vrlo visoka, tako da je dobitak 2.

Rezultat je ovaj dizajn:

Ispod držača testne LED diode nalazi se mala prizma koja usmjerava lasersku zraku prema fotodiodi referentnog kanala.

Primjer oscilograma dobivenog iz spektrometra (bijela LED služi kao izvor zračenja):

Žuta linija je signal primijenjen na zvučnik pokretnog zrcala, plava linija je signal iz OPT101, crvena linija je rezultat Fourierove transformacije koju izvodi osciloskop.

Softverski dio

Cijeli program je napisan u C#. Rad sa zvukom se vrši pomoću biblioteke NAudio. Program ne samo da obrađuje signal iz spektrometra, već također generira sinusoidalni signal s frekvencijom od 20 Hz za upravljanje pokretnim zrcalom. Više frekvencije se lošije prenose mehanikom pokretnog zrcala.

Proces obrade signala može se podijeliti u nekoliko faza, a rezultati obrade signala u programu mogu se vidjeti na posebnim karticama.

Prvo, program prima niz podataka s audio kartice. Ovaj niz sadrži podatke iz glavnog i referentnog kanala:

Iznad - referentni signal, ispod - signal jedne od fotodioda na izlazu interferometra. U ovom slučaju, zelena LED dioda se koristi kao izvor signala.

Obrada referentnog signala pokazala se prilično teškom. Morate tražiti lokalne minimume i maksimume signala (označene obojenim točkama na grafikonu), izračunati brzinu zrcala (narančasta krivulja), tražiti točke minimalne brzine (označene crnim točkama). Za ove točke važna je simetrija referentnog signala, pa se one ne poklapaju uvijek točno sa stvarnom minimalnom brzinom.

Jedan od pronađenih minimuma brzine uzet je kao ishodište interferograma (označeno crvenom okomitom crtom). Zatim se izdvaja jedan period titranja zrcala:

Broj perioda osciliranja referentnog signala u jednom prolazu zrcala (između dvije crne točke na gornjoj snimci zaslona) naznačen je s desne strane: "REF PERIODS: 68". Kao što sam već spomenuo, dobiveni interferogram ima moduliranu frekvenciju i treba ga ispraviti. Za korekciju sam koristio podatke o trenutnom periodu oscilacija signala u referentnom kanalu. Korekcija se provodi interpolacijom signala metodom kubičnog splajna. Rezultat se vidi ispod (prikazuje se samo polovica interferograma):

Interferogram je dobiven, sada možete izvesti inverznu Fourierovu transformaciju. Proizvodi se korištenjem biblioteke FFTW. Rezultat pretvorbe:

Kao rezultat takve transformacije dobiva se spektar izvornog signala u frekvencijskoj domeni. Na snimci zaslona pretvoren je u recipročne centimetre (CM^-1), koji se često koriste u spektroskopiji. Ali još uvijek sam bolje upoznat s ljestvicom valnih duljina, pa se spektar mora ponovno izračunati:

Vidljivo je da razlučivost spektrometra opada s povećanjem valne duljine. Možete malo poboljšati oblik spektra dodavanjem nula na kraj interferograma, što je jednako izvođenju interpolacije nakon izvođenja transformacije.

Primjeri dobivenih spektara

S lijeve strane - nazivna struja se dovodi do lasera, s desne strane - mnogo manja struja. Kao što se može vidjeti, kako se struja smanjuje, koherencija laserskog zračenja se smanjuje, a širina spektra raste.

Korišteni izvori su: "ultraljubičasta" dioda, plava, žuta, bijela dioda i dvije IR diode s različite dužine valovi.

Transmisioni spektri nekih svjetlosnih filtera:

Prikazani su spektri emisije nakon interferencijskih filtara uzeti iz denzitometra. U donjem desnom kutu - spektar emisije nakon IR filtra, snimljen s kamere. Vrijedno je napomenuti da ovo nisu propusnosti ovih filtara - za mjerenje krivulje propusnosti svjetlosnog filtra morate uzeti u obzir oblik spektra izvora svjetlosti - u mom slučaju to je žarulja sa žarnom niti. S takvom svjetiljkom spektrometar je imao određenih problema - kako se pokazalo, spektri širokopojasnih izvora svjetlosti dobivaju se nekako nespretno. Nisam uspio shvatiti što je to. Možda je problem povezan s nelinearnim kretanjem zrcala, možda - s disperzijom zračenja u kocki ili lošom korekcijom neravnomjerne spektralne osjetljivosti fotodiode.

A ovdje je rezultirajući spektar emisije lampe:

Zubi na spektru s desne strane značajka su algoritma koji kompenzira neravnomjernu spektralnu osjetljivost fotodiode.

U idealnom slučaju, spektar bi trebao izgledati ovako:

Prilikom testiranja spektrometra nemoguće je ne pogledati spektar fluorescentne svjetiljke - ima karakterističan "prugasti" oblik. Međutim, kod registracije spektra Fourierovim spektrometrom spektra obične žarulje od 220 V javlja se problem - lampa treperi. Međutim, Fourierova transformacija omogućuje razlikovanje visokofrekventnih oscilacija (kHz jedinica) uzrokovanih interferencijom od niskofrekventnih (100 Hz) koje stvara mreža:

Spektar fluorescentne svjetiljke dobiven industrijskim spektrometrom:

Svi gore navedeni spektri dobiveni su pomoću silicijske fotodiode. Sada ću dati spektre dobivene s germanijevom fotodiodom:

Spektar žarulje sa žarnom niti je na prvom mjestu. Kao što vidite, nije baš sličan spektru prave svjetiljke (već danoj ranije).

Desno - spektar prijenosa rješenja plavi vitriol. Zanimljivo je da ne propušta infracrveno zračenje. Mali vrh na 650 nm povezan je s ponovnom refleksijom laserskog zračenja od referentnog kanala do baze.

Ovako je snimljen spektar:

Ispod je spektar propusnosti vode, desno od njega je grafikon stvarnog spektra propusnosti vode.
Slijede transmisijski spektri acetona, otopine željezovog klorida, izopropilnog alkohola.

Na kraju ću dati spektre sunčevog zračenja dobivene silicijevim i germanijevim fotodiodama:

Neravnomjeran oblik spektra povezan je s apsorpcijom sunčevog zračenja tvarima sadržanim u atmosferi. Desno je pravi oblik spektra. Oblik spektra dobiven germanijevom fotodiodom znatno se razlikuje od stvarnog spektra, iako su apsorpcijske linije na svojim mjestima.

Tako sam, unatoč svim problemima, ipak uspio kod kuće dobiti interferenciju bijele svjetlosti i napraviti Fourierov spektrometar. Kao što vidite, nije bez nedostataka - spektri su donekle zakrivljeni, razlučivost se pokazala čak i lošijom od one kod nekih domaćih spektrometara s difrakcijskom rešetkom (prvenstveno je to zbog malog putovanja zrcala pomično ogledalo). Ali svejedno - radi!

Oznake: Dodajte oznake

Sada ćemo vlastitim rukama sastaviti dvije verzije difrakcijskog spektroskopa. Spektroskop je uređaj koji vam omogućuje proučavanje spektra svjetlosti razrjeđivanjem njegovih spektralnih komponenti duž određene osi. Svjetlost se može podijeliti na monokromatske valove bilo fenomenom disperzije ili difrakcijom. U ovom slučaju koristit ćemo se difrakcijom, jer nam je pri ruci izvrsna difrakcijska rešetka - CD!

Trebat će nam mala kartonska kutija, CD, ljepilo, neprozirna cijev za okular.

Škarama izrežite komad CD-a kako bi odgovarao kutiji:

Označimo kutiju kako bi okular bio ispravno postavljen. Iz optike znamo da je upadni kut jednak kutu refleksije. Ali na taj način ćemo vidjeti prozor kroz koji će prolaziti svjetlost, a ne difrakcijske maksimume, pa ćemo ostaviti mjesto desno od linije budućeg prozora.

Zatim, zatvarajući okvir, odabrat ćemo odgovarajuće mjesto ući u svjetlost. Da bismo to učinili, pažljivo ćemo probušiti rupu i promatrati kroz okular. Ako vidimo direktno reflektirano svjetlo u okularu, tada začepimo rupu i probušimo novu malo dalje. I tako sve dok u okularu ne budu vidljive mnoge obojene točkice poredane duž linije. Zatim prorežite kroz prozor:

Postavimo na prozor svjetlosni nož od dvije oštrice - tako da najuži snop svjetla ulazi u okvir - tako ćemo vidjeti najjasniju sliku.

Ako je sve uspjelo, tada ćemo vidjeti razvedeni spektar u okularu. Ako spektar nije kontinuiran (na primjer, od LDS ili plinskih žarulja), tada ćemo vidjeti niz linija. Svaka linija je monokromatska komponenta. Na fotografiji je najgornja linija zapravo duboke ljubičaste boje, samo je kamera iskrivila boju.

Druga opcija

Napravimo minijaturni spektroskop koji radi u propuštenoj svjetlosti. Da biste to učinili, izrežite CD kao u prvoj opciji.