Optische Faserspektrometer nutzen üblicherweise optische Fasern als Signalkoppler, die photometrisch an das Spektrometer zur Spektralanalyse gekoppelt werden. Dank der praktischen Eigenschaften optischer Fasern können Anwender beim Aufbau eines Spektrumerfassungssystems sehr flexibel vorgehen.
Der Vorteil von faseroptischen Spektrometern liegt in der Modularität und Flexibilität des Messsystems.optisches FaserspektrometerDie Technologie der MUT in Deutschland ist so schnell, dass sie für Online-Analysen genutzt werden kann. Durch den Einsatz kostengünstiger Universaldetektoren werden die Kosten des Spektrometers und somit die Kosten des gesamten Messsystems reduziert.
Die Grundkonfiguration eines faseroptischen Spektrometers besteht aus einem Gitter, einem Spalt und einem Detektor. Die Parameter dieser Komponenten müssen beim Kauf eines Spektrometers angegeben werden. Die Leistungsfähigkeit des Spektrometers hängt von der präzisen Kombination und Kalibrierung dieser Komponenten ab. Nach der Kalibrierung des faseroptischen Spektrometers dürfen diese Komponenten prinzipiell nicht mehr verändert werden.
Funktionsbeschreibung
Gitter
Die Wahl des Gitters hängt vom Spektralbereich und den Auflösungsanforderungen ab. Bei faseroptischen Spektrometern liegt der Spektralbereich üblicherweise zwischen 200 nm und 2500 nm. Aufgrund der erforderlichen relativ hohen Auflösung ist es schwierig, einen breiten Spektralbereich zu realisieren; gleichzeitig sinkt der Lichtstrom mit steigender Auflösung. Für geringere Auflösung und einen breiteren Spektralbereich ist ein Gitter mit 300 Linien/mm die übliche Wahl. Wird eine relativ hohe spektrale Auflösung benötigt, kann diese durch ein Gitter mit 3600 Linien/mm oder durch einen Detektor mit höherer Pixelauflösung erreicht werden.
Schlitz
Ein schmalerer Spalt verbessert zwar die Auflösung, verringert aber den Lichtstrom. Breitere Spalte hingegen erhöhen die Empfindlichkeit, jedoch auf Kosten der Auflösung. Je nach Anwendungsanforderung wird die optimale Spaltbreite gewählt, um das beste Testergebnis zu erzielen.
Sonde
Der Detektor bestimmt in gewisser Weise die Auflösung und Empfindlichkeit des faseroptischen Spektrometers. Die lichtempfindliche Fläche des Detektors ist prinzipiell begrenzt und wird entweder in viele kleine Pixel für eine hohe Auflösung oder in wenige, aber größere Pixel für eine hohe Empfindlichkeit unterteilt. Im Allgemeinen ist die Empfindlichkeit des CCD-Detektors höher, sodass sich bis zu einem gewissen Grad auch ohne höhere Empfindlichkeit eine bessere Auflösung erzielen lässt. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit und des thermischen Rauschens des InGaAs-Detektors im nahen Infrarotbereich kann das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems durch Kühlung effektiv verbessert werden.
Optischer Filter
Aufgrund des mehrstufigen Beugungseffekts im Spektrum selbst lässt sich die Interferenz durch mehrstufige Beugung mithilfe eines Filters reduzieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spektrometern ist der Detektor von Faseroptikspektrometern beschichtet; diese Funktion muss werkseitig installiert werden. Gleichzeitig dient die Beschichtung der Antireflexion und verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems.
Die Leistungsfähigkeit des Spektrometers wird hauptsächlich durch den Spektralbereich, die optische Auflösung und die Empfindlichkeit bestimmt. Eine Änderung eines dieser Parameter beeinflusst in der Regel auch die Leistungsfähigkeit der anderen Parameter.
Die größte Herausforderung bei der Spektrometerentwicklung besteht nicht darin, alle Parameter zum Zeitpunkt der Herstellung zu maximieren, sondern die technischen Kennzahlen des Spektrometers so anzupassen, dass sie den Leistungsanforderungen verschiedener Anwendungen im dreidimensionalen Auswahlraum entsprechen. Diese Strategie ermöglicht es, Kundenbedürfnisse hinsichtlich maximaler Rendite bei minimalem Investitionsaufwand zu erfüllen. Die Größe des Auswahlraums hängt von den erforderlichen technischen Kennzahlen ab und steht in Zusammenhang mit der Komplexität und dem Preis des Spektrometers. Spektrometer müssen die von den Kunden geforderten technischen Parameter vollständig erfüllen.
Spektralbereich
SpektrometerSpektrometer mit kleinerem Spektralbereich liefern in der Regel detaillierte Spektralinformationen, während größere Spektralbereiche einen breiteren visuellen Bereich abdecken. Daher ist der Spektralbereich des Spektrometers einer der wichtigsten Parameter, der klar angegeben werden muss.
Die Faktoren, die den Spektralbereich beeinflussen, sind hauptsächlich Gitter und Detektor, und das entsprechende Gitter und der entsprechende Detektor werden je nach den unterschiedlichen Anforderungen ausgewählt.
Empfindlichkeit
Apropos Empfindlichkeit: Es ist wichtig, zwischen der Empfindlichkeit in der Photometrie (der kleinsten Signalstärke, die einSpektrometerkann erkennen) und Empfindlichkeit in Bezug auf die Stöchiometrie (die kleinste Absorptionsdifferenz, die ein Spektrometer messen kann).
a. Photometrische Empfindlichkeit
Für Anwendungen, die hochempfindliche Spektrometer erfordern, wie Fluoreszenz- und Raman-Spektroskopie, empfehlen wir thermogekühlte optische Faserspektrometer von SEK mit thermogekühlten 1024-Pixel-2D-CCD-Detektoren sowie Detektorkondensorlinsen, Goldspiegeln und breiten Spalten (100 µm oder breiter). Dieses Modell ermöglicht lange Integrationszeiten (von 7 Millisekunden bis 15 Minuten) zur Verbesserung der Signalstärke und reduziert Rauschen sowie zur Erweiterung des Dynamikbereichs.
b. Stöchiometrische Empfindlichkeit
Um zwei Absorptionswerte mit sehr ähnlicher Amplitude zu erfassen, ist neben der Empfindlichkeit des Detektors auch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erforderlich. Der Detektor mit dem höchsten SNR ist der thermoelektrisch gekühlte 1024-Pixel-2D-Array-CCD-Detektor im SEK-Spektrometer mit einem SNR von 1000:1. Die Mittelung mehrerer Spektralbilder verbessert das SNR zusätzlich. Mit zunehmender Anzahl der Mittelungen steigt das SNR quadratisch an; beispielsweise erhöht eine 100-fache Mittelung das SNR um das Zehnfache auf 10.000:1.
Auflösung
Die optische Auflösung ist ein wichtiger Parameter zur Messung der optischen Trennleistung. Für eine sehr hohe optische Auflösung empfehlen wir ein Gitter mit mindestens 1200 Linien/mm, einen schmalen Spalt und einen CCD-Detektor mit 2048 oder 3648 Pixeln.
Veröffentlichungsdatum: 27. Juli 2023