Monohromator
Monohromator je optički uređaj koji emituje mehanički selektovan uski opseg talasnih dužina svetlosti ili drugog zračenja izabranog iz šireg opsega talasnih dužina dostupnih na ulazu. Ime potiče od grčkih korena mono- "jedan" i chroma- "boja", i latinskog sufiksa -ator, koji označava agens.
Princip rada[uredi | uredi izvor]
Monohromatori svoj princip rada zasnivaju na fenomenu optičke disperzije na prizmi ili difrakcije koristeći difrakcionu rešetku, kako bi se prostorno odvojile talasne dužine (boje) svetlosti. Obično se koristi određen mehanizam za vođenje odabranog snopa na izlaznom prorezu. Rešetka i prizma se najčešće koriste u reflektivnom modu. Reflektivna prizma je napravljena tako što se formira pravougla trougaona prizma (tipično kao polovina ekvilateralne prizme) kod koje je jedna strana naparena metalom čime se dobija ogledalo. Svetlost ulazi duž hipotenuzne strane kroz koju se i reflektuje nazad, odbijajući se dva puta od iste površine. Totalno prelamanje i totalna disperzija, je ista onolika kolika bi bila da je korišćena ekvilateralna prizma.
Kolimacija[uredi | uredi izvor]
Disperzija ili difrakcija se mogu kontrolisati samo ako je svetlost kolimirana, odnosno ako su svi zraci svetlosti paralelni, ili skoro paralelni. Izvor, poput sunca, koji je veoma daleko, daje kolimiranu svetlost. Njutn je koristio sunčevu svetlost u svojim čuvenim eksperimentima. U praktičnom monohromatoru, međutim, izvor svetlosti je blizu, a optički sistem u monohromatoru pretvara divergentnu svetlost izvora u kolimovanu svetlost. Iako neki dizajni monohromatora koriste rešetke za fokusiranje kojima nisu potrebni zasebni kolimatori, većina koristi ogledala koja kolimiraju. Reflektivna optika je poželjna jer ne uvodi sopstvene disperzivne efekte.
Czerni -Turner monohromator[uredi | uredi izvor]
U uobičajenom Czerni -Turner dizajnu, [1] širokopojasni izvor osvetljenja (A) je usmeren na ulazni prorez (B). Količina dostupne svetlosne energije zavisi od intenziteta izvora u prostoru definisanog prorezom (širina × visina) i prihvatnog ugla optičkog sistema. Prorez je postavljen u efektivno fokus zakrivljenog ogledala (kolimator, C) tako da se svetlost proreza odbijenog od ogledala kolimira (fokusira u beskonačnost). Kolimirana svetlost se odvaja od rešetke (D), a zatim je sakuplja drugo ogledalo (E), koje ponovo fokusira svetlost, sada raspršenu, na izlaznom prorezu (F). U monohromatoru sa prizmom, reflektujuća Littrov -ova prizma zauzima mesto difrakcione rešetke, u tom slučaju svetlost se prelama od prizme.
Na izlaznom prorezu boje svetlosti su raširene (na vidljivom ovo prikazuje boje duge). Pošto svaka boja dolazi u zasebnu tačku u ravni izlaznog proreza, postoji niz slika ulaznog proreza fokusiranog na ravan. Budući da je ulazni prorez konačne širine, delovi slika u blizini se preklapaju. Svetlo koje izlazi iz izlaznog proreza (G) sadrži celu sliku ulaznog proreza izabrane boje plus delove slika ulaznog proreza boja u blizini. Rotacija disperznog elementa dovodi do pomeranja trake boja u odnosu na izlaznu prorezu, tako da je željena slika ulaznog proreza centrirana na izlaznom prorezu. Raspon boja koje izlaze iz izlaznog proreza je funkcija širine proreza. Širine ulaznog i izlaznog proreza se podešavaju zajedno.
Zalutala svetlost[uredi | uredi izvor]
Idealna funkcija prenosa takvog monohromatora je trouglasti oblik. Vrh trougla je na odabranoj nominalnoj talasnoj dužini. Intenzitet obližnjih boja se zatim linearno smanjuje sa obe strane ovog vrha sve dok se ne dostigne neka granična vrednost, gde intenzitet prestaje da opada. Ovo se naziva lutajući nivo svetlosti. Granični nivo je obično oko jedne hiljaditi deo vršne vrednosti, ili 0,1%.
Spektralna propusnost[uredi | uredi izvor]
Spektralna širina opsega je definisana kao širina trougla u tačkama gde je svetlost dostigla polovinu maksimalne vrednosti (puna širina na pola maksimuma, skraćeno FVHM). Tipičan spektralni opseg može biti jedan nanometar; međutim, različite vrednosti se mogu izabrati kako bi se zadovoljile potrebe analize. Uži propusni opseg poboljšava rezoluciju, ali takođe smanjuje odnos signal-šum.
Disperzija[uredi | uredi izvor]
Disperzija monohromatora se karakteriše kao širina trake boja po jedinici širine proreza, na primer 1nm spektra po 1mm širine proreza. Ovaj faktor je konstantan za rešetku, ali varira sa talasnom dužinom za prizmu. Ako se monohromator sa prizmom za skeniranje koristi u režimu konstantne propusnosti, širina proreza mora da se menja kako se talasna dužina menja. Disperzija zavisi od žižne daljine, redosleda rešetki i moći razrešenja rešetke.
Opseg talasnih dužina[uredi | uredi izvor]
Opseg podešavanja monohromatora može da pokrije vidljivi spektar i neki deo oba ili bilo kog od obližnjih ultraljubičastih (UV) i infracrvenih (IR) spektra, iako su monohromatori napravljeni za veliki izbor optičkih opsega i za veliki broj dizajna.
Dupli monohromatori[uredi | uredi izvor]
Uobičajeno je da dva monohromatora budu spojena u seriju, pri čemu njihovi mehanički sistemi rade u tandemu tako da oba odaberu istu boju. Ovaj aranžman nema za cilj da poboljša uskost spektra, već da snizi granični nivo. Dvostruki monohromator može imati graničnu vrednost od oko milionitog dela vršne vrednosti, proizvod dva preseka pojedinačnih sekcija. Intenzitet svetlosti drugih boja u izlaznom snopu se naziva nivoom zalutalog svetla i najkritičnija je specifikacija monohromatora za mnoge upotrebe. Postizanje niske rasute svetlosti je veliki deo umetnosti pravljenja praktičnog monohromatora.
Difrakcione rešetke i blazirane rešetke[uredi | uredi izvor]
Rešetkasti monohromatori raspršuju ultraljubičasto, vidljivo i infracrveno zračenje obično koristeći replike rešetke, koje se proizvode od glavne rešetke. Glavna rešetka sastoji se od tvrde, optički ravne površine koja ima veliki broj paralelnih i blisko raspoređenih žlebova. Izgradnja glavne rešetke je dug i skup proces jer žlebovi moraju biti identične veličine, tačno paralelni i pođednako raspoređeni po dužini rešetke (3–10 cm). Rešetka za ultraljubičasto i vidljivo područje obično ima 300–2000 žljebova/mm, ali je najčešće 1200–1400 žljebova/mm. Za infracrvenu oblast, rešetke obično imaju 10–200 žlebova/mm.[3] Kada se koristi difrakciona rešetka, mora se voditi računa o dizajnu širokopojasnih monohromatora jer difrakcioni obrazac ima redosled preklapanja. Ponekad se širokopojasni predselektorski filteri ubacuju u optičku putanju da bi se ograničila širina redosleda difrakcije tako da se ne preklapaju. Ponekad se to radi korišćenjem prizme kao jednog od monohromatora dizajna dvostrukog monohromatora.
Prvobitne difrakcione rešetke visoke rezolucije su pravljene. Konstrukcija visokokvalitetnih vladajućih motora bio je veliki poduhvat (kao i izuzetno težak, poslednjih decenija), a dobre rešetke su bile veoma skupe. Nagib trouglastog žleba u rešetkastoj rešetki se obično podešava da bi se poboljšala osvetljenost određenog reda difrakcije. Ovo se zove plamena rešetka. Poređene rešetke imaju nesavršenosti koje proizvode slabe "duhove" difrakcijske redove koji mogu povećati nivo zalutalog svetla monohromatora. Kasnija fotolitografska tehnika omogućava kreiranje rešetki od holografskog interferentnog uzorka. Holografske rešetke imaju sinusoidne žlebove i stoga nisu tako svetle, ali imaju niže nivoe rasejane svetlosti od upaljenih rešetki. Gotovo sve rešetke koje se zapravo koriste u monohromatorima pažljivo su izrađene replike vladajućih ili holografskih glavnih rešetki.
Prizme[uredi | uredi izvor]
Prizme imaju veću disperziju u UV regionu. Monohromatori sa prizmom su favorizovani u nekim instrumentima koji su uglavnom dizajnirani da rade u dalekom UV regionu. Međutim, većina monohromatora koristi rešetke. Neki monohromatori imaju nekoliko rešetki koje se mogu izabrati za upotrebu u različitim spektralnim regionima. Dvostruki monohromator napravljen postavljanjem prizme i monohromatora sa rešetkom u seriju obično ne treba dodatne filtere za propusni opseg da bi izolovao jedan red rešetke.
Žižna daljina[uredi | uredi izvor]
Uska linija boja koju monohromator može generisati povezana je sa žižnom daljinom monohromatorskih kolimatora. Korišćenje optičkog sistema veće žižne daljine takođe, nažalost, smanjuje količinu svetlosti koja se može prihvatiti iz izvora. Monohromatori veoma visoke rezolucije mogu imati žižnu daljinu od 2 metra. Izgradnja takvih monohromatora zahteva izuzetnu pažnju prema mehaničkoj i termičkoj stabilnosti. Za mnoge primene se smatra da monohromator od oko 0,4 metra žižne daljine ima odličnu rezoluciju. Mnogi monohromatori imaju žižnu daljinu manju od 0,1 metar.
Visina proreza[uredi | uredi izvor]
Najčešći optički sistem koristi sferne kolimatore i stoga sadrži optičke aberacije koje zakrivljuju polje gde se slike sa prorezima fokusiraju, tako da su prorezi ponekad zakrivljeni umesto jednostavno ravni, kako bi se približila zakrivljenost slike. Ovo omogućava da se koriste viši prorezi, prikupljajući više svetlosti, dok se i dalje postiže visoka spektralna rezolucija. Neki dizajni koriste drugačiji pristup i koriste toroidna kolimirajuća ogledala da isprave zakrivljenost, dopuštajući veće ravne proreze bez žrtvovanja rezolucije.
Talasna dužina nasuprot energiji[uredi | uredi izvor]
Monohromatori se često kalibrišu u jedinicama talasne dužine. Ravnomerna rotacija rešetke proizvodi sinusoidnu promenu talasne dužine, koja je približno linearna za male uglove rešetke, tako da je takav instrument lako napraviti. Mnogi osnovni fizički fenomeni koji se proučavaju su linearni u energiji, a pošto talasna dužina i energija imaju recipročan odnos, spektralni obrasci koji su jednostavni i predvidljivi kada se iscrtavaju kao funkcija energije su iskrivljeni kada se iscrtavaju kao funkcija talasne dužine. Neki monohromatori su kalibrisani u jedinicama recipročnih centimetara ili nekim drugim energetskim jedinicama, ali skala možda nije linearna.
Dinamički opseg[uredi | uredi izvor]
Spektrofotometar napravljen sa visokokvalitetnim dvostrukim monohromatorom može proizvesti svetlost dovoljne čistoće i intenziteta da instrument može da izmeri uski opseg optičkog slabljenja od oko milion puta (6 AJ, jedinice apsorbcije).
Primena[uredi | uredi izvor]
Monohromator se koriste u mnogim optičkim mernim instrumentima i o drugim aplikacijama gde je potrebna podesiva monohromatska svetlost. Ponekad monohromatska svetlost je posledica reflektovanog ili transmitovanag zraka koji se meri (ponekad se pri analizi koristi bela svetlost). Dva monohromatora se koriste u mnogim fluormetrima; jedan za odabir talasne dužine ekscitacije dok se drugi koristi za analizu emitovane svetlosti.
Automatski skenirajući spektrometar uključuje mehanizam za promenu talasne dužine koju odabere monohromator i za beleženje rezultujućih promena merene veličine kao funkcije talasne dužine.
Ako uređaj za snimanje zameni izlazni prorez, rezultat je osnovna konfiguracija spektrografa. Ova konfiguracija omogućava istovremenu analizu intenziteta širokog opsega boja. Može se koristiti fotografski film ili niz fotodetektora, na primer za prikupljanje svetlosti. Takav instrument može da snimi spektralnu funkciju bez mehaničkog skeniranja, iako može postojati kompromis u pogledu rezolucije ili osetljivosti, na primer.
Apsorpcioni spektrofotometar meri apsorpciju svetlosti uzorkom kao funkciju talasne dužine. Ponekad se rezultat izražava kao procenat prenosa, a ponekad se izražava kao inverzni logaritam prenosa. Beer-Lambertov zakon povezuje apsorpciju svetlosti sa koncentracijom materijala koji apsorbuje svetlost, dužinom optičke putanje i suštinskim svojstvom materijala zvanom molarna apsorpcija. Prema ovom odnosu smanjenje intenziteta je eksponencijalno u koncentraciji i dužini puta. Smanjenje je linearno u ovim količinama kada se koristi inverzni logaritam prenosa. Stara nomenklatura za ovu vrednost je bila optička gustina (OG), trenutna nomenklatura su jedinice apsorpcije (AU). Jedna AU je desetostruko smanjenje intenziteta svetlosti. Šest AJ je milion puta smanjenje.
Apsorpcioni spektrofotometri često sadrže monohromator za snabdevanje uzorka svetlosti. Neki apsorpcioni spektrofotometri imaju mogućnosti automatske spektralne analize.
Apsorpcioni spektrofotometri imaju mnoge svakodnevne upotrebe u hemiji, biohemiji i biologiji. Na primer, koriste se za merenje koncentracije ili promene koncentracije mnogih supstanci koje apsorbuju svetlost. Kritične karakteristike mnogih bioloških materijala, na primer mnogih enzima, mere se pokretanjem hemijske reakcije koja proizvodi promenu boje koja zavisi od prisustva ili aktivnosti materijala koji se proučava. [4] Optički termometri su napravljeni kalibracijom promene apsorpcije materijala u odnosu na temperaturu. Postoji mnogo drugih primera.
Spektrofotometri se koriste za merenje zrcalne refleksije ogledala i difuzne refleksije obojenih objekata. Koriste se za karakterizaciju performansi sunčanih naočara, laserskih zaštitnih naočara i drugih optičkih filtera. Postoji mnogo drugih primera.
U UV, vidljivom i bliskom IP, spektrofotometri apsorpcije i refleksije obično osvetljavaju uzorak monohromatskom svetlošću. U odgovarajućim IP instrumentima, monohromator se obično koristi za analizu svetlosti koja dolazi iz uzorka.
Monohromatori se takođe koriste u optičkim instrumentima koji mere druge pojave osim jednostavne apsorpcije ili refleksije, gde god je boja svetlosti značajna promenljiva. Spektrometri kružnog dihroizma sadrže monohromator, na primer.
Laseri proizvode svetlost koja je mnogo monohromatska od optičkih monohromatora o kojima se ovde govori, ali samo neki laseri se lako podešavaju, a ti laseri nisu tako jednostavni za upotrebu.
Monohromatsko svetlo omogućava merenje kvantne efikasnosti (QE) uređaja za snimanje (npr. CCD ili CMOC snimač). Svetlost iz izlaznog proreza prolazi kroz difuzore ili integrišuću sferu do uređaja za snimanje dok kalibrisani detektor istovremeno meri svetlost. Koordinacija slike, kalibrisanog detektora i monohromatora omogućava izračunavanje nosilaca (elektrona ili rupa) generisanih za foton date talasne dužine, KE.
Vidi još[uredi | uredi izvor]
| Državne | |
|---|---|
| Ostale | |
