Дифракційний спектроскоп. Зроби сам Дифракційна решітка з DVD диску

Обов'язково подивіться відео на каналах (є тематичні плейлисти):

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

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

Будь ласка, допоможіть набрати 1000 передплатників на першому каналі та не менше 4000 годин переглядів за останній рікна кожному з них, для цього подивіться повністю не менше одного відео!

Ця красива картинка є фотографією світлового та інфрачервоного спектра, що випромінюється. натрієвою лампою високого тискуНЛВС типу ДНаТ(Дугові Натрієві Трубчасті). Для перегляду та фотографування різних спектрів достатньо мати цифровий фотоапаратта спеціально підготовлений CD-R або DVD-R. Останній занижує яскравість, особливо червоного. CD-R знижує яскравість синього та дає меншу роздільну здатність. Перша фотографія зроблена через DVD-R.

Дві жовті лінії – це дублет натрію з довжинами хвиль 588,995 та 589,5924 нм. Другий дублет - інфрачервоний 818,3 та 819,4 нм.

Графік спектру.

Тепер кілька слів про підготовку дисків. З диска потрібно вирізати частину, що дозволяє повністю закрити об'єктив.

На фото DVD-R фіолетового кольору. Нам потрібна прозорі дифракційні гратиТому на CD-R наклеюємо широкий скотч з боку написів. Відриваємо його і разом зі скотчем знімається покриття диска. З DVD-R ще простіше, шматок, що вирізає, легко розшаровується на дві частини, одна з яких нам і потрібна.

Тепер за допомогою двостороннього скотчу потрібно приклеїти дифракційні грати до об'єктиву, як на фото нижче. Клеїти потрібно на бік, протилежний тій, з якою відірвано шар, т.к. поверхня під шаром легко забрудниться від об'єктива, а після очищення якість зображення спектра буде гіршою.

Вийшов найпростіший спектроскоп, що найкраще підходить для дослідження джерел світла з деякої відстані.

Якщо хочемо досліджувати як видимий спектр, а й інфрачервоний, а деяких випадках ультрафіолетовий, необхідно видалити з фотоапарата фільтр, блокуючий ІЧ промені. Треба зауважити, що частина спектру ІЧ та УФ видима окомпри досить велику інтенсивність випромінювання (точки лазерів 780 і ​​808 нм, кристал світлодіода 940 нм у темряві). Якщо необхідно забезпечити однакове візуальне відчуття для довжин хвиль 760 нм і 555 нм, то потік випромінювання для 760 нм повинен бути в 20 000 разів потужнішим. А для 365 нм у мільйон разів потужніша.

Повернемося до фільтру, який називається Hot Mirror і знаходиться перед матрицею. Потрібно відкрити корпус фотоапарата, відкрутити гвинти, що прикріплюють матрицю до об'єктиву, витягнути фільтр, зібрати фотоапарат у зворотній послідовності. Виглядає Hot Mirror так:

2 ліві фільтри з фотоапаратів. У них рожевий блиск, а бірюзовий колірпроявляється під іншим кутом. Крім ІЧ, вони можуть частково або повністю затримувати ультрафіолетові промені. Тому їх видалення відкриває можливості не тільки інфрачервоної зйомки, а й ультрафіолетовий, якщо дозволяє оптика та матриця фотоапарата. Для УФ фотографії використовують UV-pass фільтри, що блокують видиме світло.

Тепер переходимо до процесу фотографування спектрів. Приміщення має бути темне, додатково можна використовувати чорний екран біля фотоапарата, джерело світла точковий або щілинний, що мінімально освітлює кімнату. Увімкнувши фотоапарат, ми побачимо таке зображення на прикладі лазера 405 нм, що світить через вузьку щілину між двома лезами:

Центральна точка – це сам лазер. Дві лінії – його спектр. Можна використати будь-яку з них. Для цього потрібно повернути фотоапарат та наблизити. Якщо продовжувати рухати фотоапарат, ми побачимо кілька інших ліній другого, третього тощо. порядків діапазону. У деяких випадках вони заважатимуть, наприклад, зелена лінія другого порядку накладатимуться на інфрачервону лінію 1064 нм. Це відбувається в спектрі зеленого лазера, якщо в ньому не встановлено фільтр, що відсікає випромінювання ІЧ. Він правий нижній на фотографії фільтрів. Щоб прибрати накладення, я використав червоний світлофільтр. Фото цього прикладу з підписаними довжинами хвиль:

Як бачимо, зелена лінія другого порядку повністю закрила лінію 1064 нм. А наступне фото із заблокованим зеленим світлом, де залишаються лише дві ІЧ лінії 808 нм та 1064 нм. Підписувати не став, т.к. розташування ідентичному попередньому фото.

За зображенням, де є джерело випромінювання, одна відома довжина хвилі і кілька невідомих, їх легко можна визначити. Наприклад відкриваємо фото з підписами у фотошопі. За допомогою інструмента "Лінійка"вимірюємо відстань від лазера до лінії 532. Вона дорівнює 1876 пікселів. Вимірюємо відстань від лазера до лінії, довжину хвилі якої хочемо дізнатися, до 808. Відстань 2815 п. Вважаємо 532*2815/1876=798 нм. Неточність відбувається через спотворення оптики об'єктива. При максимальному оптичному наближенні помилка зменшується. Також було помічено, що лазер 808 нм випромінює більш коротку хвилю, близько 802 нм, і у нього зменшується довжина хвилі при зменшенні струму живлення.

І без джерела випромінювання на фото можна визначити, знаючи дві інші довжини хвилі. Вимірюємо довжину від лінії 532 до 1064, там 1901 п. Від 532 до 808 виходить 939 п. Вважаємо (1064-532)/1901*939+532=795 нм.

​

Але найпростіше фотографію з двома відомими лініями зіставити зі шкалою. У цьому випадку нічого рахувати не потрібно.

Далі спектр лампи розжарювання, який дуже схожий на спектр Сонця, але не містить Фраунгоферові лінії. Цікаво, що інфрачервоне випромінювання до 800 нм фотоапарат відображає помаранчеве, а більше 800 нм виглядає як фіолетовий колір.

Спектр білого світлодіодутакож безперервний, але має провал перед зеленою областю та пік у синій області 450-460нм, який викликаний використанням відповідного синього світлодіода, покритого жовтим люмінофором. Чим вище колірна температура світлодіода, тим вищий синій пік. У ньому відсутній ультрафіолет та інфрачервоні промені, які були присутні в спектрі лампи розжарювання.

А от спектр лампи з холодним катодомз підсвічування монітора. Він лінійний і точно повторює спектр люмінесцентної лампи. ІЧ частина спектру взята від КЛЛ для отримання кращої якостізображення.

Тепер переходимо до ультрафіолетовій лампі чорного світла, або, як її ще називають, лампі Вуда. Вона випромінює м'який довгохвильовий ультрафіолет. Фотографія вийшла така:

Спектр інфрачервоного випромінюванняу люмінесцентних ламп, CCFL, Вуда практично однаковий. Тільки в останній відсутні кілька ліній, найбільш близьких до видимого діапазону. ІЧ промені найбільш інтенсивно випромінюються з тих частин ламп, де знаходяться нитки розжарення. Фотографію зроблено через паперовий спектроскоп, докладніше про який нижче.

Спектроскоп з паперу.

Такий спектроскоп добре підходить перегляду спектра оком. Також його можна використовувати з різними камерами, наприклад, телефонною. Існують два різновиди.

1. Працює на просвіт через дифракційну решітку. Для нього потрібно готувати диски, як описано вище. Файлмістить креслення, яке потрібно роздрукувати на принтері, вирізати, скласти та склеїти. Зображення можна подивитися .

2. Працює на відображення від дифракційної ґрат. Можна не розшаровувати диски, але тоді поряд з яскравими лініями від лазерів з'являтимуться бліді дублюючі, через переображення всередині диска, яких у спектрі не повинно бути. Перенести блискучий шар CD на іншу поверхню, щоб він залишився таким гладким дуже складно. Тому потрібно використовувати CD, що має однакову райдужну поверхню з двох сторін. Збоку, де на звичайних дисках написи, за допомогою скотчу потрібно відірвати прозорий шар. Важливо, щоб блискучий шар залишився на диску. У мене вийшло так зробити з половиною диска (від краю до центру) цього вистачило для спектроскопа. Якщо не відірвати прозорий шар, то рівномірний спектр здаватиметься уривчастим з темними смугами, що чергуються.

Файл для друку. Допомога зі складання.

На спектроскоп приклеєно додаткове кільцеза допомогою якого він тримається на об'єктиві фотоапарата. Між джерелом світла та спектроскопом рекомендується ставити матову плівку чи призмуіз двома матовими гранями, як на фото, для кращого розподілу світла. Внутрішня частинаспектроскопа з чорного паперу без блиску, другий шар із фольги, а зверху звичайний папір, де роздрукований креслення. Сторону, в яку надходить світло, можна пофарбувати в чорний колір, щоб УФ та фіолетове випромінювання не викликали білого світіння паперу, що спотворює картинку.

За допомогою цього спектроскопа вдалося чітко та яскраво сфотографувати спектр неонової індикаторної лампи. Їх використовують для підсвічування вимикачів, в індикаторах роботи чайників, плит та інших приладів.

Одну тонку лінію спектру дають не лише лазери. Якщо дріт опустити в розчин солі NaCl, а потім внести у вогонь газової турбо пальника чи запальнички, то з'явиться жовте свічення з довжинами хвиль 588,995 і 589,5924 нм.

У деяких турбо запальничках є пластина, що містить літій. Він забарвлює полум'я в червоний колір з лінією 670,78 нм.

Нижче фотографія цих спектральних ліній разом із лініями лазерів: зеленого 532 нм, червоного 663 нм, інфрачервоних 780 нм та 808 нм.

Зручно використовувати описане вище жовте світло для визначення періоду дифракційної решіткиза відсутності лазера, та обчислення довжини хвилі джерел світла. Найпростіший пристрій на малюнку нижче складається з двох лінійок, на одній з яких закріплено дифракційні грати, а над другою височить вузька щілина з двох лез. Використовуються відстані в міліметрах від дифракційної ґрати до екрана (лінійки) із щілиною та від щілини (максимуму нульового порядку) до максимуму першого порядку. На першому малюнку потрібно дивитися через дифракційну решітку на джерело світла із відомою довжиною хвилі. Таким чином можна порахувати період дифракційної решітки формулою під цим зображенням, а потім, цим же способом можна визначати довжину хвилі, але за формулою з-під другого малюнка. На ньому показано визначення довжини хвилі лазера дещо іншим способом: лазер світить через дифракційну решітку на лінійку. І тут щілина не потрібна. Я використовував дифракційні грати з насадки. Зоряне небо", яка йшла в комплекті з лазерною указкою. Там дві решітки, але насадка розбиралася і витягувалася одна решітка. Дифракційна решітка з CD зовсім не підійшла, тому що давала величезну помилку в 100 нм.

Наступна фотографія рідкісного джерела світло-блискавки. Спектр заходить до УФ діапазону приблизно до 373 нм, що є межею для цього фотоапарата.

Спектр білої газорозрядної лампи, яка висвітлює футбольне поле.

Фотографія спектру ультрафіолетового світлодіода 365 нм 3 Вт KW-UV-3WS-B KonWin.

Світлодіод з довжиною хвилі 365 нанометрів має такий кристал:

Він випромінює ультрафіолет разом із білим світлом. Якщо на вимкнений світлодіод світити лампою чорного світла, то кристал починає флуоресціювати таким же білим місячним світлом, як і при роботі самого світлодіода, але з меншою яскравістю. Схоже, що через цей ефект не вдається зробити світлодіод із чистим випромінюванням 365 нм – 370 нм.

У попередніх статтях описував, як тестував різні світлодіоди для рослин. Для аналізу спектра і взяті у знайомого вчителя фізики.

Але потреба в такому приладі з'являється періодично і спектроскоп, а краще спектрометр хотілося б мати під рукою.

Мій вибір — ювелірний спектроскоп із дифракційними ґратами

Якщо річ для ювелірів - то в комплекті йшов «шкіряний» чохол

Розміри у спектроскопа маленькі

Що в іншому було ясно з опису магазину
Зібрано все міцно, так що розчленувати не буде.
Повіримо і так, що з одного боку трубки стоїть об'єктив-лінза, з іншого дифракційні грати та захисне скло.

А всередині гарна веселка. Налюбувавшись нею досхочу почав шукати, а щоб таке подивитися на спектрі.
На жаль, за прямим призначенням спектроскоп застосувати не вдалося, тому що вся моя колекція діамантів і дорогоцінного камінняобмежилася обручкою, абсолютно непрозорим і таким, що не дає ніякого спектру. Ну хіба що в полум'ї пальника))).
Натомість ртутна люмінісцентна лампа чесно дала багато гарних смужок. Досхочу намилувавшись різними джереламисвітла спантеличив питанням, що треба картинку якось зафіксувати і спектр виміряти.

Трохи DIY

У голові вже давно крутилася картинка насадки на фотоапарат, а під столом стояв , що не пройшов ще останньої модернізації, але успішно справляється з ПВХ пластиком.

Конструкція вийшла не дуже гарною. Все ж люфти по X і Y я переміг не до кінця. Нічого ШВП вже лежать у зборі та чекають, коли опорні лінійні рейки приїдуть.

А ось функціональність вийшла цілком прийнятною, щоб веселка відобразилася на старенькому Canon, який давно лежав без діла.

Щоправда, тут мене чекало розчарування. Красива веселка ставала якоюсь дискретною.

Усьому вина – RGB матриця будь-якого фотоапарата та камери. Погравшись з налаштуваннями балансу білого кольоруі режимами зйомки, я упокорився з картинкою.
Адже заломлення світла залежить від того, яким кольором фіксувати зображення. Для спектрального аналізу підійшла б чорно-біла камера з максимально рівномірною чутливістю по всій ширині вимірюваного діапазону.

Методика спектрального аналізу.

Шляхом проб та помилок намалювалася така методика
1. Малюється картинка шкали видимого діапазону світла (400-720нм), на ній позначаються основні лінії ртуті калібрування.

2. Знімається кілька спектрів, обов'язково з еталонним ртутним. У серії зйомок потрібно зафіксувати положення спектроскопа на об'єктиві, щоб унеможливити зсув спектру із серії знімків по горизонталі.

3. У графічному редакторі шкала підганяється під ртутний спектр, проте інші спектри масштабуються без горизонтального зсуву в редакторі. Виходить щось на кшталт цього

4. Ну а потім все заганяється у програму аналізатор Cell Phone Spectrometer із цієї статті

Перевіряємо методику на зеленому лазері, у якого довжина хвилі відома - 532нм.

Похибка вийшла близько 1%, що при ручній методиці підгону ртутних ліній і малювання шкали практично від руки дуже непогано.
Принагідно дізнався, що зелені лазери не прямого випромінювання, як червоні чи сині, а використовують твердотільне діодне накачування (DPSS) з купою вторинних випромінювань. Вік живи вік учись!

Вимірювання довжини хвилі червоного лазера також підтвердило правильність методики.

Для інтересу поміряв спектр свічки

і природного газу, що горить

Тепер можна міряти спектр світлодіодів, наприклад, «повний спектр» для рослин

Спектрометр готовий та працює. Тепер готуватиму з його допомогою наступний огляд — порівняння характеристик світлодіодів різних виробників, чи дурять нас китайці і як зробити правильний вибір.

Коротко отриманим результатом задоволений. Можливо було сенс підключити спектроскоп до веб-камери для безперервного вимірювання діапазону, як у цьому проекті

Тестування спектрометра моїм помічником

Всім привіт! Ви дивіться Вогняне ТБ! Сьогодні ми робитимемо спектрометр!

Напевно вже всі чули про те, що для здоров'я дуже важливо, щоб джерела світла у квартирі та на роботі мали повний спектр світла.

Але як дізнатися, який спектр у вашої лампочки?

Потрібен спектрометр. Покупці коштують дуже дорого, а саморобний можна зробити дуже легко і для його виготовлення не потрібна особлива точність.
Навіть якщо в тебе замість рук дві ноги та обидві ліві, то все одно ти зможеш зібрати цю штуку, і вона працюватиме!

Для початку виготовимо корпус із щільного паперу або картону. Я вже перевірив кілька варіантів і досвідченим шляхом підібрав необхідні розміри. Якщо раптом ви вирішите зібрати таку саму штуку, то я накреслив готову схему, яку можна завантажити на моєму сайті, роздрукувати на звичайному аркуші вирізати та склеїти.

Внутрішня поверхня не повинна відображати світло, інакше картинка буде засвічена.
Маркер чудово впорається з цим завданням. Я зафарбував усі ділянки картону, на які може потрапляти світло.

Тепер потрібні дифракційні грати. Саме вона розбиває промінь світла на спектр.

Видобути її можна з будь-якого диска CD, DVD або Blu-ray

Структура оптичних дисків влаштована в такий спосіб, що вони мають невеликі нерівності, які викликають дифракцію світла.

Штамповані диски мають нерівності у вигляді невеликих рисочок, а чисті болванки, що перезаписуються, спочатку мають рівні борозенки.

В принципі не важливо які диски використовувати, але бажано щоб ці борозенки чи нерівності були якнайчастіше, DVD диски – це оптимальний варіант.

Зараз проведемо найпростіший експеримент. Світло від лампочки падатиме на диск і частина відобразиться у вигляді невеликої веселки, це і буде спектр джерела світла.

Щоб захопити весь спектр, потрібно присунути камеру дуже близько.

Ось так виглядає спектр світла, що виходить від світлодіодної лампи.

А ось так виглядає спектр енергозберігаючої лампи, різниця величезна.

А ось спектр звичайної лампи розжарювання видно, що в її спектрі дуже багато червоної складової.

А ось це спектр видимого світла ультрафіолетової лампи, видно що крім фіолетового в ній є ще й зелений.

Тепер порівняємо три різні болванки:

Тут бачимо, що з CD диска найгірший результат, кольори занадто розмиті.

Поділ світла на спектр можна побачити, якщо посвітити ліхтариком у центр диска, або поставити диск за свічкою, що горить, виходить дуже красивий ефект.

Повертаємось до нашого спектрометра!

Вирізаємо прямокутний шматок відповідного розміру.

Після того, як диск обрізаний з усіх боків, його легко можна розділити на дві частини, на дзеркальну і прозору.

Нам знадобиться прозора частина. Приклеюю її до картону.

Тепер акуратно склеюю корпус.

Вийшло добре, але я як завжди капнув клеєм на найвідповідальнішу частину.
У принципі, найпростіший прилад для спостереження за спектром світла готовий.

Достатньо просто направити його на будь-яке джерело світла та подивитися на пластикову пластинку.

Якщо притулити коробочку, що вийшла, до камери смартфона, то можна зробити знімки і по них проаналізувати спектр, пізніше я покажу як це зробити.

Як бачите, через такий прилад спектр видно чіткіше, особливо це помітно, якщо дивитися на люмінесцентну лампу. Усі пікові значення видно чіткіше.

Робити знімки – це не дуже зручно, набагато зручніше аналізувати джерело світла у реальному часі!

Для цього потрібно просто притулити веб камеру прямо до пластикової платини.

Можна було придумати кріплення з картону, але я вирішив виготовити більш міцний варіант приладу з макетного пластику. Це спінений пвх-пластик, один із моїх улюблених матеріалів, його легко різати та легко склеювати суперклеєм. З нього можна зробити все, що завгодно, я часто ним користуюся і в мене питали, як він називається і де його брати. Просто забийте у пошуку «пінопвх» або «макетний пластик» і ви обов'язково знайдете те, що потрібно.

У пластиковому спектрометрі я зробив висувну заслінку, щоб можна було регулювати кількість світла, що потрапляє всередину приладу.

Для камери я зробив невеликий корпус, попередньо вручну налаштувавши її фокус на об'єкти, що знаходяться приблизно за один метр від її об'єктива.

Корпус з камерою кріплю до основної частини приладу таким чином, щоб був невеликий проміжок у який можна буде засунути шматок диска, я зможу змінювати їх за потреби.
ззаду наклеюю заглушку з прорізом, щоб можна було виштовхнути шматок диска з корпусу для заміни.

Щоб прилад впевнено стояв і його можна було чітко налаштувати, я приробив йому ноги та закріпив їх на шматку фанери. Тепер спектрометр можна направити на джерело світла та спокійно проводити вимірювання.

Подальша робота буде проводитися на цьому сайті, посилання на нього ви теж знайдете в описі.
Натискаємо кнопку "захоплення спектру".

Рухаємо приладом так, щоб він краще спіймав світло, регулюємо заслінку, щоб скоригувати яскравість і тиснемо на центр нашої веселки, щоб жовта смужка проходила максимально через весь спектр. Зчитуватись з камери будуть значення саме під цією смужкою.

Натискаємо синю кнопку "почати"

Бачимо, як з'явився графік у реальному часі, але значення в нанометрах не зовсім правильні, потрібне калібрування.

На сторінці, що натискаємо кнопку «калібрувати».

Тепер потрібно підтягнути синій та зелений кольоритак, щоб пікові значення приблизно збіглися з вашим спектром. До речі, калібрувати потрібно тільки світом енергозберігаючих люмінесцентних ламп, у них найпереривніший спектр і можна побачити пікові значення.

Після того, як синій та зелений кольори посунуті на свої місця, знову натискаємо кнопку «захоплення спектру» і отримуємо спектр із відкаліброваними значеннями.

Якщо посувати заслінкою, то можна бачити, як змінюється яскравість.

Я поставив лампу розжарювання, і побачив, що її спектрі надто багато синього кольору, А такого не може бути, у ламп розжарювання переважає червоний колір у діапазоні.

Я згадав, що шматок DVD болванки був не прозорий, а трохи фіолетовий. Цього було достатньо, щоб сильно зрушити спектр у синю сторону. Довелося розрізати інший диск і знайти прозорий пластик, який не даватиме спотворень кольорів.
Після заміни та калібрування все прийшло в норму, у спектрі лампи розжарювання тепер багато червоного та мало синього.
Спектр світлодіодної лампи дуже схожий на лампу розжарювання.

А тепер лазерна указка!
Складно потрапити так, щоб отримати стабільне значення, але все одно видно, що основний пік припадає приблизно на 650 нанометрів.
Це відповідає заявленим характеристикам, зазначеним на етикетці. 650 плюс-мінус 10 нанометрів.

І ще раз глянемо на ультрафіолетову лампу.

Камера фіксує лише видимий спектр світла, і може побачити лише синій, фіолетовий та трохи зеленого.

З відеофіксацією діапазону начебто розібралися, а що робити з фото зроблені на телефон?

Я відкриваю отримані фото в графічному редакторі, виділяю найкрасивішу частину спектра та розтягую її по висоті. Важливо, щоб синя частина спектру була ліворуч або зверху, це необхідно для аналізу.

Далі завантажую на сайт і калібру як і раніше.
Спектр люмінесцентної лампи легко калібрується, а ось із спектрами від інших ламп доведеться постаратися.
В принципі, якщо закріпити телефон і зробити знімки спочатку люмінесцентної лампи, а потім інших джерел світла, не рухаючи телефон, щоб нічого не збилося, то також можна досить точно вивчити їх спектр.

Користуватися сайтом для аналізу спектру – не дуже зручно, але я не знайшов інших варіантів. Якщо у вас є ідеї, як проаналізувати спектр зручнішим методом, то обов'язково напишіть їх у коментарях.
У мене на цьому все, до нових зустрічей, поки що!

На схемі: 1 - джерело випромінювання, 2,4 - оптика, що коліммує, 3 - вхідна діафрагма, 5 - нерухоме дзеркало, 6 - рухоме дзеркало, 7 - привід дзеркала, 8 - світлодільна пластинка, 9 - лазер опорного каналу, 10 - фотоприймач опорного каналу, 11 - оптика, що фокусує, 12 - фотоприймач сигналу.

Для того, щоб стабілізувати швидкість руху рухомого дзеркала, і забезпечити «прив'язку» спектрометра до абсолютних значень довжин хвиль, спектрометр вводять опорний канал, що складається з лазера і його фотоприймача (9 і 12 на схемі). Лазер у разі виступає еталоном довжини хвилі. У високоякісних спектрометрах цих цілей використовують одночастотні газові лазери. В результаті точність виміру довжин хвиль виходить дуже високою.

Фур'є-спектрометри мають інші переваги в порівнянні з класичними спектрометрами.
Важлива особливістьФур'є-спектрометрів – при використанні навіть одного фотоприймача, одночасно реєструються всі спектральні елементи, що дає енергетичний виграш у порівнянні з поелементним механічним скануванням (виграш Фелжетта).

Фур'є-спектрометри не вимагають використання оптичних щілин, які затримують більшу частину світлового потоку, що дає великий виграш у світлосилі (виграш Жакіно).

У Фур'є-спектрометрах немає проблеми накладання спектрів, як у спектрометрах з дифракційними решітками, за рахунок чого спектральний діапазон досліджуваного випромінювання може бути дуже широким, і визначається параметрами фотоприймача та світлодітної пластини.

Роздільна здатність Фур'є-спектрометрів може бути набагато вищою, ніж у традиційних спектрометрах. Вона визначається різницею ходу рухомого дзеркала Δ. Розв'язуваний інтервал хвиль визначається виразом: δλ = λ^2/Δ

Однак є й важливий недолік – велика механічна та оптична складність спектрометра. Для виникнення інтерференції обидва дзеркала інтерферометра повинні бути точно виставлені перпендикулярно один одному. При цьому одне із дзеркал має здійснювати поздовжні коливання, але перпендикулярність повинна зберігатися з тією самою точністю. У високоякісних спектрометрах деяких випадках для компенсації нахилу рухомого дзеркала в процесі руху за допомогою п'єзоелектричних приводів нахиляють нерухоме дзеркало. Для отримання інформації про поточний нахил вимірюються параметри опорного променя лазера.

Практика

Одна з найважливіших частин спектрометра - вузол нерухомого дзеркала. Саме його потрібно буде юстувати (плавно переміщати) у процесі збирання. Потрібно було забезпечити можливість нахиляти дзеркало по двох осях, і точно переміщати його в поздовжньому напрямку (навіщо нижче), при цьому дзеркало не повинно нахилятися.

Основою вузла нерухомого дзеркала став одноосьовий столик із мікрометричним гвинтом. Ці вузли в мене вже були, треба було лише поєднати їх разом. Для безлюфтового зв'язку я використав простий притиск столика до мікрометричного гвинта пружиною, що знаходиться всередині основи столика.

Його я зробив, використовуючи три юстирувальні гвинти, зняті зі зламаного теодоліту. Металева пластина з приклеєним дзеркалом притискається пружинами до торців цих гвинтів, а гвинти самі закріплені в металевому куточку, прикрученому до
столик.

Конструкція зрозуміла з фотографій:

Видно юстирувальні гвинти дзеркала і мікрометричний гвинт.

Спереду видно дзеркало. Воно взято зі сканера. Важлива особливість дзеркала - дзеркальне покриття має бути спереду дзеркала, і для того щоб інтерференційні лінії не були кривими, поверхня дзеркала повинна бути досить якісною.

Вид зверху:

Видно пружини, що притискають столик у мікрометричному гвинті і кріплення пластини з дзеркалом до куточка.

Як видно з фотографій, вузол нерухомого дзеркала прикріплений до дошки ДСП. Дерев'яна основаінтерферометра - явно не краще рішенняале з металу в домашніх умовах його було зробити проблематично.

Тепер можна перевірити можливість отримати інтерференцію в домашніх умовах – тобто зібрати інтерферометр. Одне дзеркало вже є, тому потрібно додати друге тестове дзеркало та світлодільник. У мене був світлодільний кубик, і я використав саме його, хоча кубик в інтерферометрі працює гірше, ніж світлодільна платівка – його грані дають додаткові переображення світла. Вийшла така конструкція:

На одну із граней кубика, не звернену до дзеркала, потрібно направити світло, а через іншу можна спостерігати інтерференцію.

Після складання дзеркала розташовані надто не перпендикулярно, і тому потрібно виконати первинне юстирування. Її я робив за допомогою малопотужного лазерного діода, з'єднаного з лінзою, що колімує, достатньо великого діаметра. На лазер потрібно подати дуже маленький струм – такий, щоб можна було дивитися прямо на кристал. В результаті виходить точкове джерело світла.

Лазер встановлюється перед інтерферометром, та його відображення у дзеркалах спостерігаються через кубик. Для зручності спостереження я приставив до кубика призму, що направляє випромінювання, що вийшло з кубика, вгору. Тепер, повертаючи юстирувальні гвинти дзеркала, потрібно поєднати два видимі відображення лазера в одне.

На жаль, фотографій цього процесу у мене немає, і виглядає він не дуже зрозуміло - через відблиски в кубику видно багато крапок, що світяться. Все стає значно зрозумілішим, коли починаєш повертати юстирувальні гвинти - частина точок починає переміщатися, а частина залишається на місці.

Після того, як дзеркала виставлені вищеописаним чином, достатньо збільшити потужність лазера – і ось вона, інтерференція! Виглядає вона практично так, як і на фотографії на початку статті. Однак випромінювання лазера очима спостерігати небезпечно, тому щоб побачити інтерференцію, потрібно встановити після кубика будь-який екран. Я використав простий аркуш паперу, через який видно інтерференційні смуги - потужності та когерентності лазера вистачає, щоб створити досить контрастне зображення. Повертаючи юстирувальні гвинти дзеркала, можна змінювати ширину смуг – очевидно, що надто вузькі смуги спостерігати проблематично. Чим краще інтерферометр від'юстований, тим ширше смуги. Однак, як я вже згадував, найменші відхилення дзеркал призводять до роз'юстування, а отже, лінії стають надто вузькими й невиразними. Чутливість інтерферометра, що вийшов, до деформацій і вібрацій величезна - достатньо натиснути на дошку-основу в будь-якому місці, і лінії починають переміщатися. Навіть кроки в кімнаті призводять до тремтіння ліній.

Однак інтерференція когерентного лазерного світла – це ще не те, що потрібне для роботи Фур'є-спектрометра. Такий спектрометр повинен працювати з будь-яким джерелом світла, зокрема й білим. Довжина когерентності білого світла – близько 1 мкм.
У світлодіодів ця величина може бути більшою - кілька десятків мікрометрів. Інтерферометр формує інтерференційну картину тільки тоді, коли різниця ходу світлових променів між кожним із дзеркал і світлодільником менше довжини когерентності випромінювання. У лазера, навіть напівпровідникового, вона більша - більше кількох міліметрів, тому інтерференція виникає відразу після юстування дзеркал. А ось навіть від світлодіода інтерференцію отримати в рази складніше - переміщуючи дзеркало в поздовжньому напрямку мікрометричним гвинтом, потрібно домогтися того, щоб різниця ходу променів потрапила в мікронний діапазон.

Однак, як я вже казав, при переміщенні, особливо досить великому (сотні мікрон), через недостатньо якісну механіку столика, дзеркало може трохи повертатися, що призводить до того, що умови для спостереження інтерференції зникають. Тому часто доводиться знову встановлювати замість світлодіода лазер та поправляти юстування дзеркала гвинтами.

Врешті-решт після півгодинних спроб, коли вже здавалося, що це зовсім не реально, мені вдалося отримати інтерференцію світла від світлодіода.

Як виявилося трохи пізніше, замість того, щоб спостерігати інтерференцію через папірець на виході кубика, краще встановити матову плівку перед кубиком – так виходить протяжне джерело світла. В результаті інтерференцію можна спостерігати безпосередньо очима, що помітно спрощує спостереження.
Вийшло ось так (видно відображення кубика в призмі):

Потім вдалося отримати і інтерференцію в білому світлі від світлодіодного ліхтаря (на фотографії видно матову плівку - вона звернена торцем до фотоапарата і на ній видно тьмяну пляму світла від ліхтаря):

Якщо доторкнутися до будь-якого з дзеркал, то лінії починають переміщатися і тьмяніти, поки не зникнуть зовсім. Період ліній залежить від довжини хвилі випромінювання, як показано на синтезованій картинці, знайденій на просторах інтернету:

Тепер, коли інтерферометр зроблено, потрібно зробити вузол рухомого дзеркала замість тестового. Спочатку я планував просто приклеїти невелике дзеркало до динаміка, і подаючи на нього струм змінювати положення дзеркала. Вийшла така конструкція:

Після установки, що вимагала нового юстування нерухомого дзеркала, виявилося, що дзеркало занадто сильно гойдається на дифузорі динаміка і його дещо перекошує при подачі струму через динамік. Проте, змінюючи струм через динамік, можна було плавно переміщувати дзеркало.

Тому я вирішив зробити конструкцію міцнішою, використовуючи механізм, який застосовують у деяких спектрометрах – пружинний паралелограм. Конструкція зрозуміла з фотографії:

Вузол, що вийшов, виявився значно міцнішим за попередній, хоча жорсткість металевих пластинок-пружин вийшла дещо високою.

Зліва – дошка з оргаліту, з отвором-діафрагмою. Захищає спектрометр від зовнішніх засвіток.

Між отвором і світлодільнім кубиком встановлена ​​лінза, що колімує, приклеєна до металевої оправи:

На оправі видно спеціальний пластиковий тримач, в який можна вставляти матову плівку (лежать у нижньому правому кутку).

Встановлено об'єктив фотоприймача. Між об'єктивом та кубиком встановлено маленьке дзеркалона кріпленні, що повертається. Воно замінює призму, яка використовувалася раніше. Фотографія на початку статті зроблена саме через нього. При повороті дзеркала в положення спостереження воно перекриває об'єктив, і реєстрація спектрограми стає неможливою. При цьому потрібно припиняти подавати сигнал на динамік рухомого дзеркала – через занадто швидкі коливання лінії оком не видно.

Внизу в центрі видно ще один столик. Спочатку на ньому був закріплений фотодатчик, але особливих переваг не давав столик, і пізніше я його зняв.

Спереду встановив фокусуючий об'єктив від фотоапарата:

Для спрощення юстування та тестування спектрометра встановив червоний фотодіод біля діафрагми.

Діод встановлений на спеціальному поворотному утримувачі, тому його можна використовувати як джерело тестового випромінювання для спектрометра, потік світла від об'єктива при цьому перекривається. Керується світлодіод вимикачем, встановленим під утримувачем.

Тепер варто трохи детальніше розповісти про фотодатчиків. Спочатку планувалося використовувати лише один звичайний кремнієвий фотодіод. Однак перші спроби зробити якісний підсилювач для фотодіода виявилися провальними, так що я вирішив використовувати фотодатчик OPT101, який вже містить підсилювач з коефіцієнтом перетворення 1000000 (1 мка -> 1В).

Цей датчик працював досить добре, особливо після того, як я зняв вищезгаданий столик, і виставив датчик по висоті.

Однак кремнієвий фотодіод здатний приймати випромінювання лише в діапазоні довжин хвиль 400-1100 нм.
Лінії поглинання різних речовин зазвичай лежать далі, і їх виявлення потрібен інший діод.
Для роботи у ближній ІЧ області є кілька типів фотодіодів. Для простого саморобного приладу найбільше підходять германієві фотодіоди, здатні приймати випромінювання в діапазоні 600 - 1700 нм. Ці діоди випускалися ще за СРСР, тому вони відносно дешеві і доступні.

Чутливість фотодіодів:

Мені вдалося дістати фотодіоди ФД-3А та ФД-9Е111. У спектрометрі я використовував другий - він має дещо більшу чутливість. Для цього фотодіода довелося все ж таки зібрати підсилювач. Він виготовлений з використанням операційного підсилювача TL072. Щоб підсилювач запрацював, знадобилося забезпечити йому харчування напругою негативної полярності. Щоб отримати таку напругу, я використав готовий DC-DC перетворювач із гальванічною розв'язкою.

Фотографія фотодіода разом із підсилювачем:

На обох фотодіодах має бути сфокусовано потік світла з інтерферометра. Для того, щоб розділити потік світла від об'єктива, можна було б використовувати світлодільна пластинка, проте це призвело б до ослаблення сигналів з діодів. Тому після об'єктива було встановлено ще одне поворотне дзеркало, за допомогою якого можна спрямовувати світло на потрібний діод. В результаті вийшов такий вузол фотодатчиків:

У центрі фотографії розташований об'єктив, зверху на ньому закріплений лазер опорного каналу. Лазер той же, що в далекомірі, взятий з DVD приводу. Лазер починає формувати якісне когерентне випромінювання лише за певного струму. Потужність випромінювання у своїй досить висока. Тому, щоб обмежити потужність променя, мені довелося закрити об'єктив лазера світлофільтром. Справа закріплений датчик на OPT101, внизу – германієвий фотодіод з підсилювачем.

В опорному каналі прийому випромінювання лазера використовується фотодіод ФД-263, сигнал від якого посилюється операційним підсилювачем LM358. У цьому каналі рівень сигналу дуже великий, тому коефіцієнт посилення - 2.

Вийшла ось така конструкція:

Під тримачем тестового світлодіода знаходиться невелика призма, що спрямовує промінь лазера у бік фотодіода опорного каналу.

Приклад осцилограми, що отримується зі спектрометра (джерелом випромінювання служить білий світлодіод):

Жовта лінія – сигнал, що подається на динамік рухомого дзеркала, блакитна лінія – сигнал з OPT101, червона – результат Фур'є-перетворення, що виконується осцилографом.

Програмна частина

Уся програма написана на C#. Робота зі звуком виконується за допомогою бібліотеки NAudio. Програма як обробляє сигнал від спектрометра, а й формує синусоїдальний сигнал частотою 20 Гц керувати рухомим дзеркалом. Вищі частоти гірше передаються механікою рухомого дзеркала.

Процес обробки сигналу можна розділити на кілька етапів, і результати обробки сигналу можна переглядати на окремих вкладках.

Спочатку програма отримує масив даних від аудіокарти. Цей масив містить дані від основного та опорного каналів:

Угорі - опорний сигнал, унизу - сигнал від одного з фотодіодів на виході інтерферометра. Як джерело сигналу у разі використовується зелений світлодіод.

Обробка опорного сигналу виявилася досить складною. Доводиться шукати локальні мінімуми та максимуми сигналу (відзначені на графіку кольоровими точками), обчислювати швидкість руху дзеркала (помаранчева крива), шукати точки мінімуму швидкості (відзначені чорними точками). Для цих точок важлива симетричність опорного сигналу, тому вони не завжди точно збігаються з реальним мінімумом швидкості.

Один із знайдених мінімумів швидкості приймається за початок відліку інтерферограми (відзначений червоною вертикальною лінією). Далі виділяється один період коливання дзеркала:

Число періодів коливань опорного сигналу за один прохід дзеркала (між двома чорними точками на скріншоті вище) вказано праворуч: REF PERIODS: 68. Як уже згадував, отримана інтерферограма промодулирована по частоті, і його потрібно скоригувати. Для корекції використовував дані про поточний період коливань сигналу в опорному каналі. Коригування проводиться шляхом інтерполяції сигналу методом кубічних сплайнів. Результат видно нижче (відображається лише половина інтерферограми):

Інтерферограму отримано, тепер можна виконувати зворотне Фур'є-перетворення. Воно провадиться за допомогою бібліотеки FFTW. Результат перетворення:

В результаті такого перетворення виходить спектр вихідного сигналу області частот. На скріншоті він перерахований у зворотні сантиметри (СМ-1), які часто використовуються в спектроскопії. Але мені все ж таки більш звична шкала в довжинах хвиль, тому спектр доводиться перераховувати:

Видно, що роздільна здатність спектрометра падає зі зростанням довжини хвилі. Трохи покращити форму спектра можна, додавши в кінець інтерферограми нулі, що рівнозначно проведенню інтерполяції після виконання перетворення.

Приклади отриманих спектрів

Зліва – на лазер подається номінальний струм, праворуч – значно менший струм. Як бачимо, при зменшенні струму когерентність випромінювання лазера падає, збільшується ширина спектра.

Як джерела використовувалися: «ультрафіолетовий» діод, синій, жовтий, білий діоди, і два ІЧ діоди з різними довжинами хвиль.

Спектри пропускання деяких світлофільтрів:

Показано спектри випромінювання після інтерференційних світлофільтрів, знятих з денситометра. У правому нижньому куті - спектр випромінювання після інфрачервоного фільтра, знятого з фотоапарата. Це не коефіцієнти пропускання цих фільтрів - для вимірювання кривої пропускання світлофільтра потрібно враховувати форму спектра джерела світла - в моєму випадку це лампа розжарювання. З такою лампою у спектрометра виявилися певні проблеми – як виявилось, спектри широкосмугових джерел світла виходять якось кострубато. Я так і не зміг з'ясувати, із чим це пов'язано. Можливо, проблема пов'язана з нелінійним рухом дзеркала, можливо - з дисперсією випромінювання в кубику, або поганою корекцією нерівномірної спектральної чутливості фотодіода.

А ось і отриманий спектр випромінювання лампи:

Зубці на спектрі праворуч – особливість роботи алгоритму, що компенсує нерівномірну спектральну чутливість фотодіода.

В ідеалі, спектр має виглядати так:

Випробовуючи спектрометр, не можна не подивитися спектр лампи денного світла – він має характерну «смугасту» форму. Однак при реєстрації спектру Фур'є-спектрометром спектру звичайної лампи на 220В виникає проблема – лампа мерехтить. Тим не менш, Фур'є перетворення дозволяє виділити більш високочастотні коливання (одиниці кГц), що даються інтерференцією, з низькочастотних (100 Гц), що даються мережею:

Спектр люмінесцентної лампи, отриманий промисловим спектрометром:

Всі спектри були отримані з використанням кремнієвого фотодіода. Тепер наведу спектри, отримані з німецьким фотодіодом:

Першим іде спектр лампи розжарювання. Як видно, він не дуже схожий на діапазон реальної лампи (вже наведений раніше).

Правий - спектр пропускання розчину мідного купоросу. Цікаво, що він не пропускає ІЧ випромінювання. Невеликий пік на 650 нм пов'язаний з переображення випромінювання лазера з опорного каналу в основою.

Ось так знімався спектр:

Нижче йде спектр пропускання води, праворуч від нього – графік реального спектра пропускання води.
Далі йдуть спектри пропускання ацетону, розчину хлорного заліза, ізопропілового спирту.

Насамкінець наведу спектри сонячного випромінювання, отримані кремнієвим і германієвим фотодіодами:

Нерівна форма спектра пов'язана з поглинанням сонячного випромінювання речовинами, що містяться в атмосфері. Справа – реальна форма спектру. Форма спектра, отриманого германієвим фотодіодом, помітно відрізняється від реального спектру, хоча лінії поглинання знаходяться на своїх місцях.

Таким чином, незважаючи на всі проблеми, мені все ж таки вдалося отримати в домашніх умовах інтерференцію білого світла і зробити Фур'є-спектрометр. Як видно, він не позбавлений недоліків - спектри виходять дещо криві, роздільна здатність вийшла навіть гіршою, ніж у деяких саморобних спектрометрів з дифракційними гратами (насамперед це пов'язано з малим ходом дзеркала рухомого дзеркала). Але тим не менш – він працює!

Теги: Додати теги

Наразі своїми руками ми зберемо два варіанти дифракційного спектроскопа. Спектроскоп – прилад, який дозволяє досліджувати спектр світла за рахунок розведення його спектральних складових уздовж певної осі. Розділити світло на монохроматичні хвилі можна за рахунок явища дисперсії, або за рахунок дифракції. В даному випадку ми будемо використовувати дифракцію, тому що у нас під рукою є відмінні дифракційні грати – компакт диск!

Нам знадобляться невелика картонна коробочка, компакт-диск, клей, непрозора трубочка для окуляра.

Виріжемо ножицями шматочок компакт-диска під розмір коробочки:

Розмітимо коробочку так, щоб правильно встановити окуляр. З оптики ми знаємо, що кут падіння дорівнює куту віддзеркалення. Але так ми побачимо віконце, через яке проходитиме світло, а не дифракційні максимуми, тому правіше від лінії майбутнього віконця залишимо місце.

Потім закривши коробочку підберемо підходяще місцедля введення світла. Для цього обережно протикатимемо дірочку, і спостерігатимемо в окуляр. Якщо в окулярі ми бачимо прямо відбите світло, то дірочку заклеюємо і протикаємо нову трохи далі. І так поки в окулярі не буде видно багато кольорових точок, що вишикувалися вздовж лінії. Потім проріжемо віконце:

Встановимо на віконці світловий ніж із двох лез бритв – щоб у коробочку потрапляв максимально вузький пучок світла – так ми бачитимемо максимально чітку картину.

Якщо все вийшло – ми побачимо в окулярі розлучений спектр. Якщо спектр не безперервний (наприклад від ЛДС чи газорозрядних ламп) ми побачимо набір ліній. Кожна лінія – монохроматична складова. На фото верхня лінія насправді глибоко фіолетового кольору, просто фотоапарат спотворив колір.

Варіант другий

Зробимо мініатюрний спектроскоп, що працює в світлі, що проходить. Для цього виріжемо компакт-диск як і в першому варіанті.