Выбор спектрометра Avantes

Спектрометр — это оптическое устройство для исследований с накоплением и разного рода обработкой спектра, конечной целью которого является проведение разного типа аналитических методик. Название «спектрометр» является объединяющим для очень широкого круга приборов, которые работают в областях от гамма волн до ИК излучения. 

Спектр изучаемых объектов — результат действия на исследуемое вещество флуоресценции, которая регистрируется благодаря действия на образец какого-либо излучения. Регистрировать спектр может полупроводниковое детекторное устройство, сцинтилляционный счётчик, детекторные устройства на базе прибора с зарядовой связью. 

Развитие и совершенствование спектрометров шло нога в ногу с развитием микроэлектроники и физики, особенно в области детектирования спектра в инертных средах и средах с высоким разряжением. К современным спектрометрам для работы в лабораториях предъявлялись определенные требования: точность определения, минимальные габаритные размеры, возможность технического обслуживания прибора в условиях лаборатории. С развитием прецизионного измерительного оборудования все эти требования только возрастали, и наиболее заметная эволюция произошла в системе детектирования и обработки спектра. Ее связывают с появлением полупроводниковых технологий, в особенности приборов с зарядовой связью (ПЗС матриц), комплементарных металлоксидных полупроводниковых матриц (КМОП). Использование детекторов на основе таких матриц позволяет избежать необходимость применения движущейся решетки в спектрометре, этим преимуществом воспользовалась компания Avantes – крупнейший производитель волоконного измерительного оборудования для спектрального анализа. 

Конфигурация спектрометров AvaSpec

Основу спектрометра составляет оптическая скамья в конфигурации Черни-Тернера с фокусным расстоянием 37,5, 45, 50 или 75 мм. Свет поступает в монохроматор через стандартный разъем SMA-905 и коллимируется сферическим зеркалом. Затем коллимированный пучок падает на дифракционную решетку, после чего фокусируется сферическим зеркалом. Изображение спектра проецируется на одномерную линейную матрицу фотоприёмника.

Рисунок 1. Оптическая скамья спектрометра Avantes

Высокочувствительные спектрометры Avantes имеют усовершенствованную конструкцию оптической скамьи с несколькими тороидальными зеркалами, таким образом полная числовая апертура волокна полностью проецируется на ПЗС матрицу просветленного типа.

Все оптические скамьи имеют ряд компонентов, которые могут варьироваться: дифракционная решетка, входная щель, фильтр, покрытие матрицы. Эти компоненты оказывают прямое влияние на главные характеристики системы: чувствительность, разрешение, полоса пропускания и светорассеяние.

Дифракционная решетка спектрометра и рабочий диапазон

Диапазон длин волн является ключевым параметром выбора дифракционной решетки. Если требуется анализировать широкополосное излучение, рекомендуется использовать решетку с постоянной 300 штрихов/мм. Для анализа более узкого рабочего диапазона (до 500 нм) подойдет решетка с постоянной 600 штрихов/мм.

Также для широкого рабочего диапазона можно использовать двухканальный или многоканальный спектрометр. В этой конфигурации каждый канал может быть оснащен  различными решетками, охватывающими часть интересующего диапазона. В дополнение к более широкому рабочему диапазону, двухканальный или многоканальный спектрометр сможет обеспечить более высокое разрешение для каждого канала.

Фотоприемники и чувствительность

При выборе фотоприёмной матрицы для спектрометра учитывают требования к скорости и точности измерений. Avantes предлагает несколько типов детекторов, каждый из которых имеет уникальные кривые чувствительности, например:

AvaSpec StarLine представлена спектрометрами общего назначения УФ и видимого диапазонов с недорогими ПЗС- и КМОП-матрицами.

AvaSpec SensLine представлена быстродействующими спектрометрами, оснащенными ПЗС датчиками и термоэлектрическим охлаждением. Эти приборы обладают высокой чувствительностью в УФ и ближнем ИК диапазонах.

Линия AvaSpec NIR состоит из спектрометров с фотодетекторами на InGaAs и предназначены для измерения более длинных длин волн в диапазоне от 900-2500 нм.

Для применений, где определяющим фактором выбора являются габариты прибора, Avantes предлагает компактную линейку спектрометров CompactLine.

КМОП-детекторы спектрометров StarLine и Compact Line

Как ПЗС-матрицы, так и КМОП-детекторы имеют одинаковое предназначение: преобразование падающего света в электронный сигнал. Свойства и возможности матриц в целом идентичны, однако КМОП-детекторы отличаются высокой чувствительностью в УФ и ИК диапазонах, что позволяет избежать использования усилительных покрытий. Несмотря на это преимущество, по общей чувствительности выигрывают ПЗС-матрицы.

Рисунок 2. ПЗС детекторы просветленного типа

ПЗС детекторы просветленного типа позволяют достичь высокой квантовой эффективности в УФ диапазоне (200-350 нм) и ИК диапазоне (900-1160 нм) благодаря высокому соотношению сигнал-шум и широкому динамическому диапазону. Avantes предлагает как неохлаждаемые, так и охлаждаемые ПЗС-детекторы с размерами матрицы 1024 и 2048 пикселей. Недостатком спектрометров с детекторами просветленного типа является более высокая стоимость.

Рисунок 3. Линейные фотоприемники на InGaAs 

Линейные фотоприемники имеют высокую чувствительность в ближней ИК области спектра. Фотодетектор состоит из усилительной матрицы с КМОП-транзисторами, сдвигового регистра и генератора синхронизации. Система охлаждения не требуется матрицам, работающим в диапазонах до 1,75 мкм. Детекторы расширенного диапазона (2,0-2,5 мкм) оснащены 2-ступенчатым термоэлектрическим охлаждением для уменьшения теневого шума и доступны в 256- и 512-пиксельных версиях.

Доступны несколько моделей линейных фотоприёмников на матрице InGaAs:

• 256- и 512-пиксельный неохлаждаемый детектор на InGaAs для диапазона 900-1750 нм
• 256- и 512-пиксельный охлаждаемый детектор на InGaAs для диапазона 900-1750 нм
• 256- и 512-пикселей, 2-ступенчатое охлаждение, детектор на InGaAs для диапазона 1000-2200 нм

Размер щели и разрешательная способность

Размер щели влияет на разрешательную и пропускную способности оптической скамьи спектрометра. Для большинства примложений рекомендуется использовать самую маленькую щель (10 мкм). Если нет потребности в высоком разрешении и вы работаете с высокоинтенсивным узкополосным излучением (лазером), рекомендуется остановить выбор на щели большего размера, таким образом удастся максимизировать пропускную способность. Решение реализовано в спектрометре AvaSpec-RS, который поставляется с набором сменных щелей.

Чувствительность

Фотометрическая чувствительность

Чтобы достичь нужной фотометрической чувствительности спектрометра, например, достаточной для измерения рамановского излучения или спектра флюоресценции, рекомендуются 2048-элементные ПЗС детекторы с цилиндрическими линзами и относительно широкими входными щелями (100 мкм и выше). Решётки с постоянной 300 штрих/мм обладают наименьшей дисперсией и позволяют получить максимальную чувствительность (возможную в спектрометрах этой конфигурации). Термоэлектрическое охлаждение детекторов понижает уровень электронного шума детектора и увеличивает динамический диапазон за счёт увеличения допустимого времени интеграции (60 секунд).

Чувствительность по уровню абсорбции

Чтобы обнаружить резко отличающиеся значения поглощения, близкие друг к другу, необходимо, чтобы прибор имел высокое соотношение сигнала к шуму (S/N). Детекторы с высоким соотношением S/N представлены в серии SensLine. 

Быстродействие

Высокая скорость проведения измерений оптоволоконными спектрометрами AvaSpec обусловлена отсутствием подвижных элементов в схеме и быстродействием оптического детектора. Лидер по быстродействию среди всей серии – оптоволоконный спектрометр AvaSpec 2048 FT.

Разрешательная способность

Для спектрометров AvaSpec доступные размеры щелей представлены рядом: 10, 25, 50, 100, 200 мкм в ширину на 1000 мкм в высоту и 500 мкм в ширину на 2000 мкм в высоту. Изображение щели на матрице детектора для заданной длины волны будет охватывать несколько пикселей. 

При использовании волокон с большим сердечником разрешение может быть улучшено за счет использования щели меньшего размера, чем сердцевина волокна. Это эффективно уменьшит ширину светового луча, поступающего на оптическую скамью спектрометра.

Опция сменной щели доступна на всех спектрометрах серий ULS и NIR.

Частота

Частота спектрометра - это тактовая частота, на которой пиксели данных синхронизируются через аналогово-цифровой преобразователь.

Рисунок 4. Кривые чувствительности детектора StarLine

Рисунок 5. Кривые чувствительности детектора SensLine

Рассеянный свет и эффекты второго порядка

Рассеянный свет представляет излучение с некорректной длиной волны, которое активирует сигнал на фоточувствительном элементе детектора. Существуют различные источники рассеянного света:

• Внешний свет
• Рассеянный свет от дефектов в оптических составляющих или других компонент
• Наложение спектров

Светонепроницаемый корпус спектрометра устраняет попадание внешнего света.

При работе в условиях предельной разрешающей способности спектрометрической системы рассеянный свет, исходящий от оптической скамьи, дифракционной решетки и фокусирующего зеркала может ограничивать нижний предел чувствительности. Большинство дифракционных решеток изготавливаются по голографическому принципу, и, как известно, это уменьшает их светорассеивающие характеристики.

Обычно рассеянный свет составляет <0.05 % при 600 нм,  <0.10 % при 435 нм и  <0.10 % при 250 нм. Эффекты второго порядка, характерные для дифракционных решеток с низкой плотностью бороздок (линий) и широким диапазоном длин волн, обычно вызывают появление дифракционных лучей второго порядка. Эти эффекты часто игнорируют, но иногда бывает необходимо избавиться от них.

Можно устранить эффекты второго порядка, используя установку оптических фильтров на входной SMA коннектор или специального покрытия на поверхность детектора. Такие покрытия детектора обычно имеют один (590 нм) или два (350 нм и 590 нм) пропускных фильтра, в зависимости от типа дифракционной решетки.

В таблице приведены различные оптические фильтры, которые могут быть установлены в оптическую скамью спектрометра. Рекомендуется использование следующих фильтров: OSF-475 для дифракционной решетки NB и NC, OSF-515/550 для дифракционной решетки NB и OSF-600 для дифракционной решетки IB.

Дополнительно Avantes реализовали отдельное покрытие DUV (дальняя УФ область) для детекторов Sony 2048 и Toshiba 3648.

Термическая стабильность

Все спектрометры Avantes чрезвычайно надежны и долговечны благодаря отсутствию движущихся частей внутри оптической скамьи. Термическая стабильность спектрометров тщательно контролируется в процессе производства и сборки. Все спектрометры проходят циклические тепловые испытания, во время которых регистрируются и проверяются сдвиг длины волны, падение интенсивности и наклон спектра.

Для большинства спектрометров среднее увеличение/уменьшение интенсивности находится в пределах ±4% при термоциклировании ±10°C.

На рисунке ниже можно увидеть типичный результат циклических тепловых испытаний.

Рисунок 6. Пример результата выполнения цикла термических испытаний

© Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ