Для сравнения были взяты 3 популярные модели компактных волоконных спектрометров различных производителей. Исследуемые модели приборов и основные их характеристики приведены в таблице 1.
В основе таких спектрометров, как правило, лежит скрещенная ассиметричная (реже симметричная) схема Черни-Тернера с короткой базой. Получить высокое разрешение (<1нм) на протяженном спектральном отрезке при такой топологии оптической схемы проблематично, однако добиться сравнительно высокой чувствительности, в том числе для регистрации рамановского сигнала вполне возможно. Для регистрации рамановских сигналов высокой интенсивности (от сложных органических соединений при высокой степени чистоты вещества) можно при помощи спектрометров с неохлаждаемым фотоприемником, для регистрации же рамановских спектров малой и средней интенсивности требуется использование приборов с охлаждаемым сенсором.
Целью работы являлось сравнение реальных и заявленных производителем значений основных характеристик спектрометров.
Таблица 1. Основные характеристики исследуемых спектрометров.
YIXIST | Европейский производитель | Другой китайский производитель | |
Регистрируемый спектральный диапазон, нм | 200-1100 | 200-1100 | 200-1100 |
Заявленное спектральное | 1,5 | 1,4 | 2 |
Щель, мкм | 25 | 25 | 25 |
Разрешение матрицы/линейки, пикс. | 2048 (Hamamatsu S11639) | 2048 (Hamamatsu S11639) | 2048 (Hamamatsu S11639) |
Разрешение диф. решетки, штр./мм | 600 | 300 | н/д |
Минимальное время интегрирования сигнала, мс | 0,5 | 0,009 | 1 |
Максимальное время интегрирования сигнала, с | 65 | 59 | 65 |
Активное охлаждение матрицы | Нет | Нет | Нет |
Заявленное соотношение сигнал:шум | 600:1 | 300:1 | 450:1 |
Для опытов в качестве стандартных источников излучения применялись ртутная (источник линейчатого спектра) и вольфрамовая (источник непрерывного спектра) лампы. Источники были стабилизированы по уровню эмиссии. Полученное излучение использовалось для сравнения показаний указанных выше спектрометров. Приборы при этом эксплуатировались в идентичных условиях, подключались к одному и тому же оптическому волокну после одинакового времени прогрева источников и выхода их на рабочий режим.
Основные измеренные показатели включали:
- Чувствительность и разрешение при малом времени интегрирования (1 мс);
- Шумовые характеристики (теневой сигнал) при большом времени интегрирования (59 с).
2. Сравнительный анализ производительности спектрометров
2.1 Данные о чувствительности и разрешению по спектру представлены на спектрограммах (рис. 1-5).
Рисунок 1. Сравнение чувствительности исследуемых приборов по уровню пиков на одинаковой экспозиции при регистрации линейчатых спектров от ртутной лампы. Ось абсцисс - длина волны в нанометрах. Ось ординат - относительная интенсивность в отсчетах. YIXIST - желтая линия, Европейский производитель - зеленый, Другой китайский производитель - синий.
Рисунок 2. Оценка спектрального разрешения приборов и точности калибровки спектральной шкалы по зарегистрированным ширине и положению одной из УФ линий спектра ртутной лампы Ось абсцисс - длина волны в нанометрах. Ось ординат - относительная интенсивность в отсчетах. YIXIST - желтая линия, Европейский производитель - зеленый, Другой китайский производитель - синий.
Рисунок 3 Оценка точности калибровки спектральной шкалы и спектрального разрешения приборов по двум соседним линиям спектра ртутной лампы. Ось абсцисс - длина волны в нанометрах. Ось ординат - относительная интенсивность в отсчетах. YIXIST - желтая линия, Европейский производитель - зеленый, Другой китайский производитель - синий.
Рисунок 4. Оценка точности калибровки спектральной шкалы и чувствительности приборов в ближнем ИК диапазоне. Ось абсцисс - длина волны в нанометрах. Ось ординат - относительная интенсивность в отсчетах. YIXIST - желтая линия, Европейский производитель - зеленый, Другой китайский производитель - синий.
Рисунок 5. Оценка качества регистрации непрерывного спектра вольфрамовой галогенной лампы. Ось абсцисс - длина волны в нанометрах. Ось ординат - относительная интенсивность в отсчетах. YIXIST - желтая линия, Европейский производитель - зеленый, Другой китайский производитель - синий.
Все исследуемые спектрометры показали близкие результаты соответствующие характеристикам заявленным производителями, несколько лучший результат по чувствительности показал спектрометр от YIXIST.
Сравнительно более высокая чувствительность спектрометра YIXIST, по-видимому, связана с эффективной оптимизированной оптической системой, обеспечивающей повышенную светосилу прибора и низкий уровень оптических потерь.
2.2 Шумовые характеристики
Шумовые характеристики записаны при теневой съемке с временем интегрирования 59 секунд (Рис. 6):
Рисунок 6. Уровень теневых шумов.Ось абсцисс - длина волны в нанометрах. Ось ординат - относительная интенсивность в отсчетах. YIXIST - желтая линия, Европейский производитель - зеленый, Другой китайский производитель - синий.
Здесь значительно худшие характеристики по шумам показал показал спектрометр другого китайского производителя.
Спектрометры YIXIST и “Европеец” показывают сравнимые результаты по уровню шумов.
Показатели уровня шумов при большом времени интегрирования позволяют судить о стабильности Европейского спектрометра и YIXIST. В первую очередь, это связано с продвинутым методами электронного шумоподавления, используемыми указанными производителями.
3. Вариации спектров
Экспериментальные данные четко показывают, что разные спектрометры обладают значительно разнящимся откликом на один и тот же источник света; только тщательно откалиброванные приборы могут предоставлять сравниваемые абсолютные значения интенсивности.
Некалиброванные спектрометры могут предоставлять только данные об относительной интенсивности, но не абсолютные значения. Это может происходить потому, что на результаты измерения влияет множество факторов, таких как:
- Зависящая от длины волны эффективность оптической системы при пропускании и преломлении
- Характеристики спектрального отклика детектора
- Характеристики каскадов усиления сигнала
- Внешние условия, такие как комнатная температура
Каждый спектрометр обладает уникальной передаточной функцией R(λ), которая может быть представлена как:
Iизмеренная(λ) = Iистинная(λ) × R(λ)
где:
- Iизмеренная(λ) - измеренная спектральная интенсивность
- Iистинная(λ) - истинная спектральная интенсивность
- R(λ) - включает в себя эффективность дифракционной решетки, передаточные характеристики детектора, пропускание оптической системы, и.т.д.
Без калибровки невозможно оценить влияние R(λ), что приводит к:
- Непостоянной эффективности измерения на разных длинах волн
- Невозможность сравнения абсолютных показателей интенсивности на разных длинах волн
- Результаты измерений разных приборов не могут сравниваться напрямую
Тем самым, “интенсивность”, показываемая некалиброванным спектрометром, на самом деле является:
- Выходным сигналом детектора (в вольтах или отсчетах)
- Внутренне усиленным относительным значением
Эти величины не имеют прямой корреляции с истинным фотонным потоком.
Из этого следует сделать вывод, что указанный тип портативных волоконных спектрометров нельзя использовать в качестве спектрорадиометров без дополнительной калибровки приборов.
Заключение.
Все три спектрометра показали значения характеристик, сравнимые с заявленными, однако несколько лучший результат по чувствительности и уровню шумов показали приборы из Европы и YIXIST, в ряде случаев, характеристики этих приборов превысили уровень, заявленный производителем.
Компания INSCIENCE является официальным дистрибьютором оборудования YIXIST на территории РФ.