CZ.1.07/2.2.00/ AČ (RCPTM) Spektroskopie 1 / 24

Transkript

1 MĚŘENÍ SPEKTRA SVĚTLA Antonín Černoch Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů CZ.1.07/2.2.00/ AČ (RCPTM) Spektroskopie 1 / 24

2 Úvod Obsah 1 Úvod 2 Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol Difrakční mřížka 3 Selektivní spektrometry Fabryův-Perotův planární rezonátor 4 Fourierovská spektroskopie 5 Streak camera AČ (RCPTM) Spektroskopie 2 / 24

3 Úvod Elektromagnetické spektrum λ = c ν = 2πc ω, c m/s λ vlnová délka ν frekvence ω úhlová frekvence c rychlost světla ve vakuu Spektra: spojitá, čárová, pásová emisní, absorpční AČ (RCPTM) Spektroskopie 3 / 24

4 Úvod Oblasti elektromagnetického spektra Rádiová km-0.1 m, antény, TV, rádio, mobily Mikrovlnná mm, magnetron nebo diody, molekuly s dipólovým momentem, mikrovlnka, Wi-fi, radar Infračervená vzdálená IČ µm, rotační módy molekul a fonony střední IČ µm, tepelné záření blízká IČ µm, podoně jako VIS AČ (RCPTM) Spektroskopie 4 / 24

5 Úvod Oblasti elektromagnetického spektra Viditelná (VIS) nm, maximum záření hvězd, energetická vzdálenost elektronových hladin atomů Ultrafialová (UV) nm, ionizující záření, sterilizace Rentgenová (X) nm, neutrinové hvězdy a akreační disky černých děr, prochází předměty Gama (γ) menší jak 0.1 nm, vytváří radioizotopy AČ (RCPTM) Spektroskopie 5 / 24

6 Spektroskopie Úvod určení intenzity záření v celém rozsahu vlnových délek (frekvencí) určování látek a jejich vlastností podle vyzářeného nebo absorbovaného světla Způsoby měření 1 Zobrazovací spektrometry rozmítnutí spektra do různých prostorových módů disperzní hranol difrakční mřížka 2 Monochromátory odfiltrování neměřených složek spektra prostorově (clonou) z rozmítnutého spektra absorpčně interferenčně 3 Nepřímé metody Fourierovská spektroskopie AČ (RCPTM) Spektroskopie 6 / 24

7 Zobrazovací spektrometry Obsah 1 Úvod 2 Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol Difrakční mřížka 3 Selektivní spektrometry Fabryův-Perotův planární rezonátor 4 Fourierovská spektroskopie 5 Streak camera AČ (RCPTM) Spektroskopie 7 / 24

8 Zobrazovací spektrometry Lom na rozhraní Snellův zákon lomu n 1 (λ) sin θ 1 = n 2 (λ) sin θ 2 1 n 1 =1 n 2 ( ) 2 Chromatická disperze index lomu materiálu závisí na vlnové délce různé vlnové délky (barvy) se lámou pod jinými úhly šíří různými rychlostmi v(λ) = c/n(λ) AČ (RCPTM) Spektroskopie 8 / 24

9 Příklad duha diamant šíření ve vlákně

10 Disperzní hranol Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol [ ] θ d = θ α + arcsin sin α n(λ) 2 sin 2 θ sin θ cos α. d n( ) AČ (RCPTM) Spektroskopie 10 / 24

11 Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol Abbeovo číslo snaha popsat disperzi materiálu jedním číslem δ r n F,D,C relativní disperze indexy lomu Franhoferových čar ν = 1 δ r = n D 1 n F n C ν < 50 flintová skla ν > 55 korunová skla λ F = λ D = λ C = nm nm nm Konstrukce spektrometru kolimátor disperzní hranol fokusační čočka AČ (RCPTM) Spektroskopie 11 / 24

12 Použití Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol Hranol Pellin Broca výstup kolmý na vstup (jen pro jednu vlnovou délku n D = 1.52) α = θ 1 = θ 2 = n( ) disperzní hranoly se v měřících přístrojích nepoužívají využití v rezonátorech laserů výběr určité vlnové délky kompenzace časové disperze AČ (RCPTM) Spektroskopie 12 / 24

13 Zobrazovací spektrometry Difrakční mřížka Difrakční mřížka periodická změna s periodou Λ tloušt ky indexu lomu Paraxiální aproximace (Λ λ) θ q = θ i + q λ Λ Obecně sin θ q = sin θ i + q λ Λ i q = 0, ±1, ±2,... Λ = µm 600 čar/mm AČ (RCPTM) Spektroskopie 13 / 24

14 Zobrazovací spektrometry Difrakční mřížka Ocean Optics HR4000CG-UV-NIR rozsah nm rozlišení nm štěrbina 5 µm odrazná mřížka 300 čar/mm 1 SMA vláknový konektor 2 pravoúhlá štěrbina 3 spektrální filtr 4 kolimační zrcadlo 5 difrakční mřížka 6 fokusační zrcadlo 7 kolekční čočky 8 lineární CCD AČ (RCPTM) Spektroskopie 14 / 24

15 Zobrazovací spektrometry Jobin Yvon Triax 320 Difrakční mřížka Monochromátor vstupní a výstupní štěrbina určují rozlišení otočení mřížky vybírá vlnovou délku Spektrometr se CCD skenování otáčením mřížky na jeden detektor mřížka disperze rozlišení rozsah 1200 čar/mm 2.64 nm/mm 0.06 nm nm AČ (RCPTM) Spektroskopie 15 / 24

16 Selektivní spektrometry Obsah 1 Úvod 2 Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol Difrakční mřížka 3 Selektivní spektrometry Fabryův-Perotův planární rezonátor 4 Fourierovská spektroskopie 5 Streak camera AČ (RCPTM) Spektroskopie 16 / 24

17 Selektivní spektrometry Princip odražení nebo absorpce neměřených složek spektra detektor změří jen výkon prošlého záření změna parametrů filtru skenování frekvence Možnosti: clona v rozmítnutém spektru z hranolu nebo mřížky sada filtrů, které se mění drahé a zdlouhavé laditelný filtr interference. AČ (RCPTM) Spektroskopie 17 / 24

18 Selektivní spektrometry Fabryův-Perotův planární rezonátor Fabryův-Perotův planární rezonátor 6=2d/6 5=2d/5 konstruktivní a destruktivní interference částečně propustná zrcadla rozšíření spektrální čáry Spektrální propustnost T (ν) = 1 + ( 2F π T max ) 2 sin 2 ( πν ν F ), F = π r 1 r, T max = t 2 (1 r) 2 T max maximum propustnosti F Jemnost (Finesse) t = t 1 t 2, r = r 1 r 2 ν F = c/2d AČ (RCPTM) Spektroskopie 18 / 24

19 T max Propustnost F / 0 q-1 q q+1 F = c/2d ν F volný spektrální interval, opakování průběhu nejednoznačnost skanování spektra posun jednoho zrcadla o δd δν q = ν q δd d

20 Spektrum polovodičového laseru OZ Optics Jemnost: F = 150, Centrální vlnová délka: λ = 826 nm d ν F λ F 1 nm/ν F δν δλ mm GHz nm GHz nm

21 Fourierovská spektroskopie Obsah 1 Úvod 2 Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol Difrakční mřížka 3 Selektivní spektrometry Fabryův-Perotův planární rezonátor 4 Fourierovská spektroskopie 5 Streak camera AČ (RCPTM) Spektroskopie 21 / 24

22 Fourierovská spektroskopie Měření spektra pomocí interferometru I 0 I max 1 I min I 0 Intenzita I 0 /2 2q /4 (2q+1) /4 Vizibilita I x 0 x 0 0 Wiener-Chinčin S(ν) = 2 0 I(τ) cos (2πντ)dτ Autokorelační funkce V ( x) = I max I min I max + I min AČ (RCPTM) Spektroskopie 22 / 24

23 Fourierovská spektroskopie Diskrétní vzorkování V jen v určitých bodech diskrétní FFT rozsah x rozlišení (např. 25 mm nm) hustota měření (velikost kroku) rozsah spektra (např. 1 µm 172 nm) možná změna spektra během dlouhého měření AČ (RCPTM) Spektroskopie 23 / 24

24 Streak camera Obsah 1 Úvod 2 Zobrazovací spektrometry Disperzní hranol Difrakční mřížka 3 Selektivní spektrometry Fabryův-Perotův planární rezonátor 4 Fourierovská spektroskopie 5 Streak camera AČ (RCPTM) Spektroskopie 24 / 24

25 Streak camera Streak camera Spektroskopie s časovým rozlišením optické vlastnosti nanočástic studium neklasických optických polí identifikace chemických sloučenin AČ (RCPTM) Spektroskopie 25 / 24

26 Streak camera Hamamatsu C10910 časové rozlišení 1 ps to 1 ms spektrální rozsah nm jednofotonová citlivost (photon counting) v kombinaci s laditelným fs laserem AČ (RCPTM) Spektroskopie 26 / 24