Сейчас своими руками мы соберем два варианта дифракционного спектроскопа. Спектроскоп – прибор, который позволяет исследовать спектр света, за счет разведения его спектральных составляющих вдоль определенной оси. Разделить свет на монохроматические волны можно или за счет явления дисперсии, либо за счет дифракции. В данном случае мы будем использовать дифракцию, так как у нас под рукой есть отличная дифракционная решетка – компакт диск!
Нам понадобятся небольшая картонная коробочка, компакт диск, клей, непрозрачная трубочка для окуляра.
Вырежем ножницами кусочек компакт диска под размер коробочки:
Разметим коробочку так, что бы правильно установить окуляр. Из оптики мы знаем, что угол падения равен углу отражения. Но так мы увидим окошко, через которое будет проходить свет, а не дифракционные максимумы, поэтому правее от линии будущего окошка оставим место.
Затем закрыв коробочку подберем подходящее место для ввода света. Для этого будем аккуратно протыкать дырочку, и наблюдать в окуляр. Если в окуляре мы видим напрямую отраженный свет, то дырочку заклеиваем и протыкаем новую чуть дальше. И так до тех пор пока в окуляре не будет видно много цветных точек, выстроившихся вдоль линии. Затем прорежем оконце:
Установим на оконце световой нож из двух лезвий бритв – что бы в коробочку попадал максимально узкий пучек света – так мы будем видеть максимально четкую картину.
Если всё получилось – то мы увидим в окуляре разведенный спектр. Если спектр не непрерывный (например от ЛДС или газоразрядных ламп) то мы увидим набор линий. Каждая линия – монохроматическая составляющая. На фото самая верхняя линия на самом деле глубоко фиолетового цвета, просто фотоаппарат исказил цвет.
Вариант второй
Сделаем миниатюрный спектроскоп, работающий в проходящем свете. Для этого вырежем компакт диск как и в первом варианте.
Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр.
Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение.
Внимание! Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.
Человек и спектроскоп
Я буду повествовать вам в том порядке, в котором проходил все этапы сам, можно сказать от худшего к лучшему. Если кто-то нацелен сразу на более ли менее серьезный результат, то половину статьи можно смело пропустить. Ну а людям с кривыми руками (как у меня) и просто любопытным будет интересно почитать про мои мытарства с самого начала.
В интернете гуляет достаточное количество материалов о том, как собрать спектрометр/спектроскоп своими руками из подручных материалов.
Для того чтобы обзавестись спектроскопом в домашних условиях, в самом простом случае понадобится совсем не много — CD/DVD болванка и коробка.
На мои первые опыты в изучении спектра меня натолкнул этот материал — Спектроскопия
Собственно благодаря наработкам автора, я собрал свой первый спектроскоп из пропускающей дифракционной решетки DVD диска и картонной коробки из под чая, а еще ранее до этого мне хватило плотного куска картона с прорезью и пропускающей решетки от DVD болванки.
Не могу сказать, что результаты были ошеломляющие, но первые спектры получить вполне удалось, чудом сохраненные фотографии процесса под спойлером
Фото спектроскопов и спектра
Самый первый вариант с куском картона
Второй вариант с коробкой из под чая
И отснятый спектр
Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:
фото спектрометра
Сразу скажу, эта модификация избавила меня от необходимости пользоваться камерой мобильного телефона, но был один недостаток камеру не удалось откалибровать под настройки сервиса Spectral Worckbench (о котором пойдет ниже речь). Поэтому захват спектра в режиме реального времени мне осуществить не удалось, но распознавать уже собранные фотографии вполне.
Итак допустим вы купили или собрали спектроскоп по указанной выше инструкции.
После этого создайте учетную запись в проекте PublicLab.org и переходите на страницу сервиса SpectralWorkbench.org Дальше я опишу вам ту методику распознавания спектра, которой пользовался сам.
Для начала нам надо будет откалибровать наш спектрометр, Для этого вам будет необходимо получить снимок спектра люминесцентной лампы, желательно — большой потолочной, но подойдет и энергосберегающая лампа.
1) Нажимаем кнопку Capture spectra
2) Upload Image
3) Заполняем поля, выбираем файл, выбираем new calibration, выбираем девайс (можно выбрать мини спектроскоп или просто custom), выбираем какой у вас спектр вертикальный или горизонтальный, чтобы было понятно спектры на скриноте предыдущей программы — горизонтальные
4) Откроется окно с графиками.
5) Проверяем, как повернут ваш спектр. Слева должен быть синий диапазон, справа — красный. Если это не так выбираем кнопку more tools – flip horizontally, после чего видим, что изображение повернулось а график нет, так что нажимаем more tools – re-extract from foto, все пики снова соответствуют реальным пикам.
6) Нажимаем кнопку Calibrate, нажимаем begin, выбираем синий пик прямо на графике (см. скриншот), нажимаем ЛКМ и открывается всплывающее окно еще раз, теперь нам надо нажать finish и выбрать крайний зеленый пик, после чего страница обновиться и мы получим откалиброванное по длинам волн изображение.
Теперь можно заливать и другие исследуемые спектры, при запросе калибровки нужно указывать уже откалиброванный нами ранее график.
Скриншот
Вид настроенной программы
Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будите делать снимки на тот же самый аппарат, который калибровали изменение аппарата разрешения снимков, сильное смещение спектра на фото относительно положения на откалиброванном примере, может исказить результаты измерения.
Честно признаюсь я свои снимки слегка правил в редакторе. Если где была засветка, затемнял окружение, иногда немного поворачивал спектр, чтобы получить прямоугольное изображение, но еще раз повторюсь размер файла и расположение относительно центра снимка самого спектра лучше не менять.
С остальными функциями вроде макросов, авто или ручной подстройки яркости я предлагаю вам разобраться самостоятельно, на мой взгляд они не так критичны.
Полученные графики потом удобно переносить в CSV, при этом первое число будет дробной (вероятно дробной) длинной волны, а через запятую будет усредненное относительное значение интенсивности излучения. Полученные значения красиво смотреться в виде графиков, построенных например в Scilab
У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу.
Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья.
Профессор химии Александр Щилин (Alexander Scheeline) из Университета Иллинойса сделал из мобильного телефона спектрометр, чтобы увлечь школьников аналитической химией.
Профессор собрал основной научный инструмент химика из недорогих материалов и цифровой камеры. Спектрофотометрия
является одним из наиболее широко используемых средств для идентификации и определения количества материалов. Если, например, нужно измерить количество протеина в мясе, воды в зерне или железа в крови – нужен спектрометр
.
Студент не может оценить работу спектрофотометрии, если пользуется загадочным «ящиком» лабораторного спектрометра. Он не понимает, что происходит внутри и просто меняет образцы и записывает результаты, – объясняет Александр Щилин. – Это не помогает учебному процессу. Если вы хотите научить кого-то творчески использовать инструмент и улучшать его, нужно что-то попроще и понятнее».
Рис. 1. Это все, что нужно для изготовления спектрометра.
Если вы хотите обратить внимание на недостатки инструмента, намного проще, когда эти недостатки очень большие и не компенсируются сложностью устройств и настройкой», – объясняет Александр Щилин.
В спектрометре белый свет проходит сквозь образец материала, который поглощает определенные длины волн света. Затем дифракционная решетка раскладывает свет на цвета, и химики могут анализировать спектр, определяя свойства образца.
Рис. 2. Собранный спектрометр. Светодиод просвечивает кювету прямо напротив решетки, которая закреплена прозрачным скотчем.
В качестве источника света профессор Щилин использовал один светодиод
, питаемый 3-вольтовой батарейкой. Дифракционную решетку, кюветы для образцов в США купить несложно и в итоге все оборудование стоит менее 3 долл. Осталось найти подходящую цифровую камеру, и тут ученый вспомнил, что у каждого школьника и студента есть мобильный телефон. После этого осталось только решить проблему обработки данных. Для этого профессор написал программу анализа спектров по фотографиям в формате jpeg и выложил ее в свободный доступ в интернет вместе с исходными кодами.
Впервые Александр Щилин продемонстрировал свое изобретение во время работы по программе обмена в Ханое (Вьетнам). Вьетнамские студенты не имели опыта работы с научными приборами, но с энтузиазмом приступили к экспериментам с сотовым телефоном-спектрометром.
Рис. 3. Мобильный телефон не заменит в серьезных научных исследованиях точный спектрометр, но не у каждого школьника есть 3000 долл. карманных денег для хобби.
В Соединенных Штатах профессор использовал самодельный спектрометр в ходе уроков в средней школе. К концу 45-минутного урока ученики усвоили вещи, которые ускользают от большинства учеников, использующих только учебники. Например, один ученик спросил о влиянии рассеянного света на чувствительность камеры и ее способность считывать спектр.
Старшеклассник, который еще час назад почти ничего не знал о спектрофотомерии, обнаружил основную проблему всех спектрометров, – радуется Александр Щилин. – С тех пор, как я начал преподавать, я пытался объяснить своим студентам концепцию воздействия рассеянного света на спектрометр и влияние этой проблемы на качество работы оборудования. И вдруг я увидел, как школьник сам понял суть этой проблемы и задал мне правильный вопрос!»
Ученый с радостью делится своим изобретением со школьными учителями и преподавателями ВУЗов на различных семинарах и с помощью интернета. Он надеется, что его изобретение усовершенствуют, например, напишут программу обработки изображений для смартфонов, что позволит избавиться от необходимости использовать компьютер. Мобильный телефон-спектрометр может увлечь массу людей аналитической химией, которая многим кажется сложной и непонятной наукой. Однако изобретение Александра Щилина демонстрирует, что врожденную любознательность человека легко пробудить – достаточно предложить простые, понятные и увлекательные творческие эксперименты.
В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я и взятые у знакомого учителя физики.
Но потребность в таком приборе появляется периодически и спектроскоп, а еще лучше спектрометр хотелось бы иметь под рукой.
Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой
Раз вещь для ювелиров — то в комплекте шел «кожаный» чехол
Размеры у спектроскопа маленькие
Что в прочем было ясно из описания магазина
Собрано все крепко, так что расчлененки не будет.
Поверим и так, что с одной стороны трубки стоит объектив-линза, с другой дифракционная решетка и защитное стекло.
А внутри красивая радуга. Налюбовавшись ею вволю стал искать, а что бы такое посмотреть на спектре.
К сожалению, по прямому назначению спектроскоп применить не удалось, так как вся моя коллекция брильянтов и драгоценных камней ограничилась обручальным кольцом, совершенно непрозрачным и не дающим никакого спектра. Ну разве что в пламени горелки))).
Зато ртутная люминисцентная лампа честно дала много красивых полосок. Вволю налюбовавшись различными источниками света озадачился вопросом, что нужно картинку как то зафиксировать и спектр измерить.
Немного DIY
В голове уже давно крутилась картинка насадки на фотоаппарат, а под столом стоял , не прошедший еще последней модернизации, но вполне успешно справляющийся с ПВХ пластиком.
Конструкция получилась не очень красивой. Все таки люфты по X и Y я победил не до конца. Ничего ШВП уже лежат в сборе и ждут, когда опорные линейные рельсы приедут.
А вот функциональность получилось вполне приемлемой, чтобы радуга отобразилась на стареньком Canon, давно лежащем без дела.
Правда тут меня ждало разочарование. Красивая радуга становилась какой то дискретной.
Всему вина — RGB матрица любого фотоаппарата и камеры. Поигравшись с настройками баланса белого цвета и режимами съемки, я смирился с картинкой.
Ведь преломление света не зависит от того, каким цветом фиксировать изображение. Для спектрального анализа подошла бы и черно-белая камера с максимально равномерной чувствительностью по всей ширине измеряемого диапазона.
Методика спектрального анализа.
Путем проб и ошибок нарисовалась такая методика
1. Рисуется картинка шкалы видимого диапазона света (400-720нм), на ней обозначаются основные линии ртути для калибровки.
2. Снимается несколько спектров, обязательно с эталонным ртутным. В серии съемок нужно зафиксировать положение спектроскопа на объективе, чтобы исключить сдвиг спектра из серии снимков по горизонтали.
3. В графическом редакторе шкала подгоняется под ртутный спектр, а все остальные спектры масштабируются без горизонтального сдвига в редакторе. Получается что-то вроде этого
4. Ну а потом все загоняется в программу анализатор Cell Phone Spectrometer из этой статьи
Проверяем методику на зеленом лазере, у которого длина волны известна — 532нм
Погрешность получилась около 1% что при ручной методике подгона ртутных линий и рисования шкалы практически от руки очень даже неплохо.
Попутно узнал, что зеленые лазеры не прямого излучения, как красные или синие, а используют твердотельную диодную накачку (DPSS) с кучей вторичных излучений. Век живи — век учись!
Измерение длины волны красного лазера тоже подтвердило правильность методики
Для интереса померил спектр свечки
и горящего природного газа
Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений
Спектрометр готов и работает. Теперь буду готовить с его помощью следующий обзор — сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор.
Вкратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проекте
Тестирование спектрометра моим помощником
Профессор химии Александр Щилин (Alexander Scheeline) из Университета Иллинойса сделал из мобильного телефона спектрометр, чтобы увлечь школьников аналитической химией.
Профессор собрал основной научный инструмент химика из недорогих материалов и цифровой камеры. Спектрофотометрия
является одним из наиболее широко используемых средств для идентификации и определения количества материалов. Если, например, нужно измерить количество протеина в мясе, воды в зерне или железа в крови – нужен спектрометр
.
Студент не может оценить работу спектрофотометрии, если пользуется загадочным «ящиком» лабораторного спектрометра. Он не понимает, что происходит внутри и просто меняет образцы и записывает результаты, – объясняет Александр Щилин. – Это не помогает учебному процессу. Если вы хотите научить кого-то творчески использовать инструмент и улучшать его, нужно что-то попроще и понятнее».
Рис. 1. Это все, что нужно для изготовления спектрометра.
Если вы хотите обратить внимание на недостатки инструмента, намного проще, когда эти недостатки очень большие и не компенсируются сложностью устройств и настройкой», – объясняет Александр Щилин.
В спектрометре белый свет проходит сквозь образец материала, который поглощает определенные длины волн света. Затем дифракционная решетка раскладывает свет на цвета, и химики могут анализировать спектр, определяя свойства образца.
Рис. 2. Собранный спектрометр. Светодиод просвечивает кювету прямо напротив решетки, которая закреплена прозрачным скотчем.
В качестве источника света профессор Щилин использовал один светодиод
, питаемый 3-вольтовой батарейкой. Дифракционную решетку, кюветы для образцов в США купить несложно и в итоге все оборудование стоит менее 3 долл. Осталось найти подходящую цифровую камеру, и тут ученый вспомнил, что у каждого школьника и студента есть мобильный телефон. После этого осталось только решить проблему обработки данных. Для этого профессор написал программу анализа спектров по фотографиям в формате jpeg и выложил ее в свободный доступ в интернет вместе с исходными кодами.
Впервые Александр Щилин продемонстрировал свое изобретение во время работы по программе обмена в Ханое (Вьетнам). Вьетнамские студенты не имели опыта работы с научными приборами, но с энтузиазмом приступили к экспериментам с сотовым телефоном-спектрометром.
Рис. 3. Мобильный телефон не заменит в серьезных научных исследованиях точный спектрометр, но не у каждого школьника есть 3000 долл. карманных денег для хобби.
В Соединенных Штатах профессор использовал самодельный спектрометр в ходе уроков в средней школе. К концу 45-минутного урока ученики усвоили вещи, которые ускользают от большинства учеников, использующих только учебники. Например, один ученик спросил о влиянии рассеянного света на чувствительность камеры и ее способность считывать спектр.
Старшеклассник, который еще час назад почти ничего не знал о спектрофотомерии, обнаружил основную проблему всех спектрометров, – радуется Александр Щилин. – С тех пор, как я начал преподавать, я пытался объяснить своим студентам концепцию воздействия рассеянного света на спектрометр и влияние этой проблемы на качество работы оборудования. И вдруг я увидел, как школьник сам понял суть этой проблемы и задал мне правильный вопрос!»
Ученый с радостью делится своим изобретением со школьными учителями и преподавателями ВУЗов на различных семинарах и с помощью интернета. Он надеется, что его изобретение усовершенствуют, например, напишут программу обработки изображений для смартфонов, что позволит избавиться от необходимости использовать компьютер. Мобильный телефон-спектрометр может увлечь массу людей аналитической химией, которая многим кажется сложной и непонятной наукой. Однако изобретение Александра Щилина демонстрирует, что врожденную любознательность человека легко пробудить – достаточно предложить простые, понятные и увлекательные творческие эксперименты.
Однажды я прочитал в Википедии статью про Фурье-спектрометр , и мне захотелось самостоятельно сделать такой. Эта задача совсем не простая, но действующий макет спектрометра все же удалось сделать. Сразу предупрежу — это не инфракрасный спектрометр, так что особенно интересных измерений им не провести.
О том, как же работает Фурье-спектрометр, и как его можно сделать в домашних условиях — далее (осторожно, много картинок!).
Немного теории
На всякий случай — речь будет идти про спектрометры оптического диапазона.
Я постараюсь не очень глубоко вдаваться в теорию работы спектрометров, хотя тема эта очень обширная.
Наиболее распространенные типы спектрометров — это спектрометры с диспергирующим элементом, который способен распределять излучение с разными длинами волн в пространстве. Примером таких элементов являются дифракционные решетки и призмы.
Упрощенная схема спектрометра с полупрозрачной дифракционной решеткой:
На схеме: 1 — входная щель, 2 — коллиммирующий объектив, 3 — дифракционная решетка, 4 — фокусирующий объектив, 5 — плоскость изображения (плоскость фотоприемника).
Исследуемое излучение проходит через входную щель, преобразуется объективом 2 в параллельный пучок света, который падает на дифракционную решетку. Решетка производит пространственное разделение этого пучка — излучение с разными длинами волн начинает распространятся под разными углами. Фокусирующая линза 5 формирует из параллельных пучков изображение в плоскости 5, которое может регистрироваться фотоприемником (например, ПЗС-линейкой).
Эти виды спектрометров относительно просты, но у них есть свои недостатки.
Одним из параметров, влияющим на спектральное разрешение спектрометра, является ширина щели — чем она меньше, тем лучше разрешение. Однако при уменьшении размеров щели падает освещенность фотоприемника, из-за чего усложняется получение спектров. Так как свет распределяется по плоскости изображения, то освещенность изображения падает.
Призмы, хоть и просты в изготовлении и использовании, не способны обеспечивать высокое спектральное разрешение. Еще один их недостаток — они могут работать только в определенном диапазоне волн, определяемом материалом призмы. Обычные стекла не способны пропускать излучение с длиной вольны больше 3-4 мкм.
Дифракционные решетки сложней в изготовлении, но обеспечивают намного лучшее спектральное разрешение. Отражающие дифракционные решетки могут использоваться в широком диапазоне длин волн — от ультрафиолетового излучения до дальнего ИК. Один из недостатков дифракционных решеток — они дают несколько различных порядков спектра, которые могут искажать интерферограмму. Для их устранения приходится использовать светофильтры, ограничивающие спектр излучения на входе или выходе спектрометра.
Для регистрации спектра в плоскости изображения спектрометра устанавливают многоэлементные фотоприемники, которые позволяют очень быстро считать весь спектр излучения. Наиболее распространенные кремниевые ПЗС и КМОП линейки подходят только для видимой области спектра и ближнего ИК излучения. Для исследования излучения длиной более 1.2 мкм нужны приемники из других материалов, например германия, арсенида галлия-индия, или даже линейки микроболометров. Такие многоэлементные приемники выпускают всего несколько компаний в мире, они очень дороги и труднодоступны.
Для регистрации спектров можно использовать и более дешевые одноэлементные фотоприемники (фотодиоды, болометры), но в таком случае сканирование изображение должно быть механическим — путем перемещения одного из узлов спектрометра. Это заметно увеличивает время получения спектрограммы и может снижать точность измерения абсолютных величин длин волн.
В Фурье-спектрометрах используется совершенно другой принцип работы — он основан на явлении интерференции .
В Википедии, как мне показалось, приведено наиболее простое и понятное описание:
Основной элемент фурье-спектрометра — интерферометр Майкельсона .
Допустим, у нас имеется когерентный источник излучения с определённой длиной волны. Когда разность хода двух лучей, пришедших в приёмник, равна λ/2 (то есть лучи пришли в противофазе) интенсивность света, регистрируемая приёмником, близка к нулю. При перемещении правого зеркала интерферометра Майкельсона разность хода лучей изменяется, изменяется и интенсивность света, регистрируемая приёмником. Очевидно, что интенсивность света максимальная, когда разность хода лучей будет кратна длине волны.При перемещении зеркала с постоянной скоростью на выходе приёмника будет наблюдаться электрический сигнал синусоидальной формы. Притом период синусоиды зависит от длины волны источника, а амплитуда от интенсивности источника.
Теперь представим, что на входе некогерентный источник. Каждая длина волны в спектре источника света будет давать свою синусоиду на выходе приёмника. Таким образом на выходе приёмника мы получаем сложный сигнал. При выполнении над полученным сигналом обратного преобразования Фурье получаем спектр входного электрического сигнала, который также является спектром излучения источника (то есть интенсивность излучения источника на различных длинах волн).
Схема интерференции излучения в Фурье-спектрометре:
На схеме: 1 — источник излучения, 2 — светоделительная (полупрозрачная) пластинка, 3 — неподвижное зеркало, 4 — подвижное зеркало, 5 — фотоприемник.
Схема реального спектрометра несколько сложнее:
На схеме: 1 — источник излучения, 2,4 — колиммирующая оптика, 3 — входная диафрагма, 5 — неподвижное зеркало, 6 — подвижное зеркало, 7 — привод зеркала, 8 — светоделительная пластинка, 9 — лазер опорного канала, 10 — фотоприемник опорного канала, 11 — фокусирующая оптика, 12 — фотоприемник сигнала.
Для того, чтобы стабилизировать скорость движения подвижного зеркала, и обеспечить «привязку» спектрометра к абсолютным значениям длин волн, в спектрометр вводят опорный канал, состоящий из лазера и его фотоприемника (9 и 12 на схеме). Лазер в таком случае выступает эталоном длины волны. В высококачественных спектрометрах для этих целей используют одночастотные газовые лазеры. В результате точность измерения длин волн получается очень высокой.
Фурье-спектрометры обладают и другими преимуществами по сравнению с классическими спектрометрами.
Важная особенность Фурье-спектрометров — при использовании даже одного фотоприемника, одновременно регистрируются все спектральные элементы, что дает энергетический выигрыш по сравнению с поэлементным механическим сканированием (выигрыш Фэлжетта).
Фурье-спектрометры не требуют использования оптических щелей, которые задерживают большую часть светового потока, что дает большой выигрыш в светосиле (выигрыш Жакино).
В Фурье-спектрометрах нет проблемы наложения спектров, как в спектрометрах с дифракционными решетками, за счет чего спектральный диапазон исследуемого излучения может быть очень широким, и определяется параметрами фотоприемника и светоделительной пластины.
Разрешающая способность Фурье-спектрометров может быть намного выше, чем в традиционных спектрометрах. Она определяется разностью хода подвижного зеркала Δ. Разрешаемый интервал волн определяется выражением: δλ = λ^2/Δ
Однако есть и важный недостаток — большая механическая и оптическая сложность спектрометра. Для возникновения интерференции оба зеркала интерферометра должны быть очень точно выставлены перпендикулярно друг другу. При этом одно из зеркал должно совершать продольные колебания, но перпендикулярность должна сохраняться с той же точностью. В высококачественных спектрометрах в некоторых случаях для компенсации наклона подвижного зеркала в процессе движения при помощи пьезоэлектрических приводов наклоняют неподвижное зеркало. Для получения информации о текущем наклоне измеряются параметры опорного луча от лазера.
Практика
Я абсолютно не был уверен в том, что можно сделать Фурье-спектрометр в домашних условиях, не имея доступа к нужным станкам (как я уже упоминал, механика — самая сложная часть спектрометра). Поэтому спектрометр делался поэтапно.
Одна из наиболее важных частей спектрометра — узел неподвижного зеркала. Именно его нужно будет юстировать (плавно перемещать) в процессе сборки. Нужно было обеспечить возможность наклонять зеркало по двум осям, и точно перемещать его в продольном направлении (зачем — ниже), при этом зеркало не должно наклонятся.
Основой узла неподвижного зеркала стал одноосевой столик с микрометрическим винтом. Эти узлы у меня уже были, нужно было только соединить их вместе. Для безлюфтовой связи я использовал простой прижим столика к микрометрическому винту пружиной, находящейся внутри основания столика.
Его я сделал, используя три юстировочных винта, снятых со сломанного теодолита. Металлическая пластина с приклеенным зеркалом прижимается пружинами к торцам этих винтов, а сами винты закреплены в металлическом уголке, прикрученном к
столику.
Конструкция понятна из фотографий:
Видны юстировочные винты зеркала и микрометрический винт.
Спереди видно само зеркало. Оно взято из сканера. Важная особенность зеркала — зеркальное покрытие должно быть спереди зеркала, и для того, чтобы интерференционные линии не были кривыми, поверхность зеркала должна быть довольно качественной.
Вид сверху:
Видны пружины, прижимающие столик в микрометрическому винту и крепление пластины с зеркалом к уголку.
Как видно из фотографий, узел неподвижного зеркала прикреплен к доске из ДСП. Деревянное основание интерферометра — явно не лучшее решение, но из металла в домашних условиях его было сделать проблематично.
Теперь можно проверить возможность получить интерференцию в домашних условиях — то есть собрать интерферометр. Одно зеркало уже есть, поэтому нужно добавить второе тестовое зеркало и светоделитель. У меня был светоделительный кубик, и я использовал именно его, хотя кубик в интерферометре работает хуже, чем светоделительная пластинка — его грани дают дополнительные переотражения света. Получилась такая конструкция:
На одну из граней кубика, не обращенную к зеркалу, нужно направить свет, а через другую можно наблюдать интерференцию.
После сборки зеркала расположены слишком не перпендикулярно, и поэтому нужно выполнить первичную юстировку. Ее я делал при помощи маломощного лазерного диода, соединенного с коллимирующей линзой достаточно большого диаметра. На лазер нужно подать очень маленький ток — такой, чтобы можно было смотреть прямо на кристалл. В результате получается точечный источник света.
Лазер устанавливается перед интерферометром, и его отражения в зеркалах наблюдаются через кубик. Для удобства наблюдения я приставил к кубику призму, направляющую вышедшее из кубика излучение вверх. Теперь, поворачивая юстировочные винты зеркала, нужно совместить два видимых отражения лазера в одно.
К сожалению, фотографий этого процесса у меня нет, и выглядит он не очень понятно — из-за бликов в кубике видно много светящихся точек. Все становится значительно понятней, когда начинаешь поворачивать юстировочные винты — часть точек начинает перемещаться, а часть остается на месте.
После того, как зеркала выставлены вышеописанным образом, достаточно увеличить мощность лазера — и вот она, интерференция! Выглядит она практически так же, как и на фотографии в начале статьи. Однако излучение лазера глазами наблюдать опасно, так что чтобы увидеть интерференцию, нужно установить после кубика какой-либо экран. Я использовал простой листок бумаги, через который видно интерференционные полосы — мощности и когерентности лазера хватает, чтобы создать достаточно контрастное изображение. Поворачивая юстировочные винты зеркала, можно изменять ширину полос — очевидно, что слишком узкие полосы наблюдать проблематично. Чем лучше интерферометр отъюстирован, тем шире полосы. Однако, как я уже упоминал, малейшие отклонения зеркал приводят к разъюстировке, и следовательно, линии становятся слишком узкими и неразличимыми. Чувствительность получившегося интерферометра к деформациям и вибрациям огромная — достаточно нажать на доску-основание в любом месте, и линии начинают перемещаться. Даже шаги в комнате приводят к дрожанию линий.
Однако интерференция когерентного лазерного света — это еще не то, что нужно для работы Фурье-спектрометра. Такой спектрометр должен работать с любым источником света, в том числе и белым. Длина когерентности белого света — около 1 мкм.
У светодиодов эта величина может быть больше — несколько десятков микрометров. Интерферометр формирует интерференционную картину только тогда, когда разность хода световых лучей для между каждым из зеркал и светоделителем меньше длины когерентности излучения. У лазера, даже полупроводникового, она большая — больше нескольких миллиметров, поэтому интерференция возникает сразу после юстировки зеркал. А вот даже от светодиода интерференцию получить в разы сложнее — перемещая зеркало в продольном направлении микрометрическим винтом, нужно добиться того, чтобы разность хода лучей попала в нужный микронный диапазон.
Однако, как я уже говорил, при перемещении, особенно достаточно большом (сотни микрон), из-за недостаточно качественной механики столика, зеркало может немного поворачиваться, что приводит к тому, что условия для наблюдения интерференции исчезают. Поэтому часто приходится вновь устанавливать вместо светодиода лазер и поправлять юстировку зеркала винтами.
В конце-концов, после получасовых попыток, когда уже казалось, что это совсем не реально, мне удалось получить интерференцию света от светодиода.
Как оказалось немного позже, вместо того, чтобы наблюдать интерференцию через бумажку на выходе кубика, лучше установить матовую пленку перед кубиком — так получается протяженный источник света
. В результате интерференцию можно наблюдать непосредственно глазами, что заметно упрощает наблюдение.
Получилось вот так (видно отражение кубика в призме):
Потом удалось получить и интерференцию в белом свете от светодиодного фонаря (на фотографии видно матовую пленку — она обращена торцом к фотоаппарату и на ней видно тусклое пятно света от фонаря):
Если потрогать любое из зеркал, то линии начинают перемещаться и тускнеть, пока не исчезнут совсем. Период линий зависит от длины волны излучения, как показано на синтезированной картинке, найденной на просторах интернета:
Теперь, когда интерферометр сделан, нужно сделать узел подвижного зеркала взамен тестового. Изначально я планировал просто приклеить небольшое зеркало к динамику, и подавая на него ток, изменять положение зеркала. Получилась такая конструкция:
После установки, потребовавшей новой юстировки неподвижного зеркала, оказалось, что зеркало слишком сильно качается на диффузоре динамика и его несколько перекашивает при подаче тока через динамик. Тем не менее, изменяя ток через динамик, можно было плавно перемещать зеркало.
Поэтому я решил сделать конструкцию попрочней, используя механизм, который применяют в некоторых спектрометрах — пружинный параллелограмм. Конструкция понятна из фотографии:
Получившийся узел оказался значительно прочней предыдущего, хотя жесткость металлических пластинок-пружин вышла несколько высокой.
Слева — доска из оргалита, с отверстием-диафрагмой. Защищает спектрометр от внешних засветок.
Между отверстием и светоделительным кубиком установлена коллимирующая линза, приклеенная к металлической оправе:
На оправе виден специальный пластиковый держатель, в который можно вставлять матовую пленку (лежит в правом нижнем углу).
Установлен объектив для фотоприемника. Между объективом и кубиком установлено маленькое зеркало на поворачиваемом креплении. Оно заменяет призму, которая использовалась ранее. Фотография в начале статьи сделана именно через него. При повороте зеркала в положение для наблюдения оно перекрывает объектив, и регистрация спектрограммы становится невозможной. При этом нужно прекращать подавать сигнал на динамик подвижного зеркала — из-за слишком быстрых колебаний линии глазом не видны.
Внизу в центре виден еще один одноосевой столик. Изначально на нем был закреплен фотодатчик, но особых преимуществ столик не давал, и позже я его снял.
Спереди установил фокусирующий объектив от фотоаппарата:
Для упрощения юстировки и тестирования спектрометра установил красный фотодиод около диафрагмы.
Диод установлен на специальном поворотном держателе, так что его можно использовать как источник тестового излучения для спектрометра, поток света от объектива при этом перекрывается. Управляется светодиод выключателем, установленным под держателем.
Теперь стоит немного подробнее рассказать про фотодатчики. Изначально планировалось использовать только один обычный кремниевый фотодиод. Однако первые попытки сделать качественный усилитель для фотодиода оказались провальными, так что я решил использовать фотодатчик OPT101, который уже содержит в в себе усилитель с коэффициентом преобразования 1000000 (1 мка -> 1В).
Этот датчик работал довольно хорошо, особенно после того, как я снял вышеупомянутый столик, и точно выставил датчик по высоте.
Однако кремниевый фотодиод способен принимать излучение только в диапазоне длин волн 400-1100 нм.
Линии поглощения различных веществ обычно лежат дальше, и для их обнаружения нужен другой диод.
Для работы в ближней ИК области есть несколько типов фотодиодов. Для простого самодельного прибора наиболее подходят германиевые фотодиоды, способные принимать излучение в диапазоне 600 — 1700 нм. Эти диоды выпускались еще при СССР, поэтому они относительно дешевы и доступны.
Чувствительность фотодиодов:
Мне удалось достать фотодиоды ФД-3А, и ФД-9Э111. В спектрометре я использовал второй — он обладает несколько большей чувствительностью. Для этого фотодиода пришлось все же собрать усилитель. Он сделан с использованием операционного усилителя TL072. Для того, чтобы усилитель заработал, понадобилось обеспечить ему питание напряжением отрицательной полярности. Чтобы получить такое напряжение, я использовал готовый DC-DC преобразователь с гальванической развязкой.
Фотография фотодиода вместе с усилителем:
На обоих фотодиодах должен быть сфокусирован поток света из интерферометра. Для того, чтобы разделить поток света от объектива, можно было бы использовать светоделительную пластинку, однако это привело бы к ослаблению сигналов с диодов. Поэтому после объектива было установлено еще одно поворотное зеркало, при помощи которого можно направлять свет на нужный диод. В результате получился такой узел фотодатчиков:
В центре фотографии находится объектив, сверху на нем закреплен лазер опорного канала. Лазер тот же, что в дальномере , взятый из DVD привода. Лазер начинает формировать качественное когерентное излучение только при определенном токе. Мощность излучения при этом достаточно высокая. Поэтому, чтобы ограничить мощность луча, мне пришлось закрыть объектив лазера светофильтром. Справа закреплен датчик на OPT101, внизу — германиевый фотодиод с усилителем.
В опорном канале для приема излучения лазера используется фотодиод ФД-263, сигнал от которого усиливается операционным усилителем LM358. В этом канале уровень сигнала очень большой, так что коэффициент усиления — 2.
Получилась вот такая конструкция:
Под держателем тестового светодиода находится маленькая призма, направляющая луч лазера в сторону фотодиода опорного канала.
Пример осциллограммы, получаемой со спектрометра (источником излучения служит белый светодиод):
Желтая линия — сигнал, подаваемый на динамик подвижного зеркала, голубая линия — сигнал с OPT101, красная — результат Фурье-преобразования, выполняемого осциллографом.
Программная часть
Без программной обработки Фурье-спектрометр невозможен — именно на компьютере проводится обратное Фурье-преобразование, преобразовывающее интерферограмму, полученную от спектрометра, в спектр исходного сигнала.
В моем случае особую сложность создает то, что я управляю зеркалом синусоидальным сигналом. Из-за этого зеркало также движется по синусоидальному закону, и это значит, что его скорость постоянно меняется. Получается, что сигнал с выхода интерферометра оказывается промодулирован по частоте. Таким образом, программа должна производить еще и коррекцию частоты обрабатываемого сигнала.
Вся программа написана на C#. Работа со звуком производится при помощи библиотеки NAudio. Программа не только обрабатывает сигнал от спектрометра, но и формирует синусоидальный сигнал частотой 20 Гц для управления подвижным зеркалом. Более высокие частоты хуже передаются механикой подвижного зеркала.
Процесс обработки сигнала можно разделить на несколько этапов, и результаты обработки сигнала в программе можно просматривать на отдельных вкладках.
Сначала программа получает массив данных от аудиокарты. Этот массив содержит данные от основного и опорного каналов:
Вверху — опорный сигнал, внизу — сигнал от одного из фотодиодов на выходе интерферометра. В качестве источника сигнала в данном случае используется зеленый светодиод.
Обработка опорного сигнала оказалась довольно непростой. Приходится искать локальные минимумы и максимумы сигнала (отмечены на графике цветными точками), вычислять скорость движения зеркала (оранжевая кривая), искать точки минимума скорости (отмечены черными точками). Для этих точек важна симметричность опорного сигнала, так что они не всегда точно совпадают с реальным минимумом скорости.
Один из найденных минимумов скорости принимается за начало отсчета интерферограммы (отмечен красной вертикальной линией). Далее выделяется один период колебания зеркала:
Число периодов колебаний опорного сигнала за один проход зеркала (между двумя черными точками на скриншоте выше) указано справа: «REF PERIODS: 68». Как я уже упоминал, полученная интерферограмма промодулирована по частоте, и ее нужно скорректировать. Для коррекции я использовал данные о текущем периоде колебаний сигнала в опорном канале. Коррекция проводится путем интерполяции сигнала методом кубических сплайнов. Результат виден ниже (отображается только половина интерферограммы):
Интерферограмма получена, теперь можно выполнять обратное Фурье-преобразование. Оно производится при помощи библиотеки FFTW. Результат преобразования:
В результате такого преобразования получается спектр исходного сигнала в области частот. На скриншоте он пересчитан в обратные сантиметры (СМ^-1), которые часто используются в спектроскопии. Но мне все же больше привычна шкала в длинах волн, поэтому спектр приходится пересчитывать:
Видно, что разрешение спектрометра падает с ростом длины волны. Немного улучшить форму спектра можно, добавив в конец интерферограммы нули, что равносильно проведению интерполяции после выполнения преобразования.
Примеры полученных спектров
Излучение лазера:
Слева — на лазер подается номинальный ток, справа — значительно меньший ток. Как видно, при уменьшении тока когерентность излучения лазера падает, увеличивается ширина спектра.
В качестве источников использовались: «ультрафиолетовый» диод, синий, желтый, белый диоды, и два ИК диода с разными длинами волн.
Спектры пропускания некоторых светофильтров:
Показаны спектры излучения после интерференционных светофильтров, снятых с денситометра. В правом нижнем углу — спектр излучения после ИК фильтра, снятого с фотоаппарата. Стоит отметить, что это не коэффициенты пропускания этих фильтров — для измерения кривой пропускания светофильтра нужно учитывать форму спектра источника света — в моем случае это лампа накаливания. С такой лампой у спектрометра оказались определенные проблемы — как оказалось, спектры широкополосных источников света получаются как-то коряво. Я так и не смог выяснить, с чем это связано. Возможно проблема связана с нелинейным движением зеркала, возможно — с дисперсией излучения в кубике, либо плохой коррекцией неравномерной спектральной чувствительности фотодиода.
А вот и полученный спектр излучения лампы:
Зубцы на спектре справа — особенность работы алгоритма, компенсирующего неравномерную спектральную чувствительность фотодиода.
В идеале, спектр должен выглядеть вот так:
Испытывая спектрометр, нельзя не посмотреть спектр лампы дневного света — он имеет характерную «полосатую» форму. Однако при регистрации спектра Фурье-спектрометром спектра обычной лампы на 220В возникает проблема — лампа мерцает. Тем не менее, Фурье преобразование позволяет выделить более высокочастотные колебания (единицы кГц), даваемые интерференцией, из низкочастотных (100 Гц), даваемых сетью:
Спектр люминесцентной лампы, полученный промышленным спектрометром:
Все спектры выше были получены с использованием кремниевого фотодиода. Теперь приведу спектры, полученные с германиевым фотодиодом:
Первым идет спектр лампы накаливания. Как видно, он не очень-то похож на спектр реальной лампы (уже приведенный ранее).
Правей — спектр пропускания раствора медного купороса. Интересно, что он не пропускает ИК излучение. Небольшой пик на 650 нм связан с переотражением излучения лазера из опорного канала в основой.
Вот так снимался спектр:
Ниже идет спектр пропускания воды, справа от него — график реального спектра пропускания воды.
Дальше идут спектры пропускания ацетона, раствора хлорного железа, изопропилового спирта.
Напоследок приведу спектры солнечного излучения, полученные кремниевым и германиевым фотодиодами:
Неровная форма спектра связана с поглощением солнечного излучения веществами, содержащимися в атмосфере. Справа — реальная форма спектра. Форма спектра, полученного германиевым фотодиодом, заметно отличается от реального спектра, хотя линии поглощения находятся на своих местах.
Таким образом, несмотря на все проблемы, мне все же удалось получить в домашних условиях интерференцию белого света и сделать Фурье-спектрометр. Как видно, он не лишен недостатков — спектры получаются несколько кривые, разрешение получилось даже хуже, чем у некоторых самодельных спектрометров с дифракционной решеткой (в первую очередь это связано с малым ходом зеркала подвижного зеркала). Но тем не менее — он работает!
Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр.
Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение.
Внимание! Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.
Человек и спектроскоп
Я буду повествовать вам в том порядке, в котором проходил все этапы сам, можно сказать от худшего к лучшему. Если кто-то нацелен сразу на более ли менее серьезный результат, то половину статьи можно смело пропустить. Ну а людям с кривыми руками (как у меня) и просто любопытным будет интересно почитать про мои мытарства с самого начала.
В интернете гуляет достаточное количество материалов о том, как собрать спектрометр/спектроскоп своими руками из подручных материалов.
Для того чтобы обзавестись спектроскопом в домашних условиях, в самом простом случае понадобится совсем не много — CD/DVD болванка и коробка.
На мои первые опыты в изучении спектра меня натолкнул этот материал — Спектроскопия
Собственно благодаря наработкам автора, я собрал свой первый спектроскоп из пропускающей дифракционной решетки DVD диска и картонной коробки из под чая, а еще ранее до этого мне хватило плотного куска картона с прорезью и пропускающей решетки от DVD болванки.
Не могу сказать, что результаты были ошеломляющие, но первые спектры получить вполне удалось, чудом сохраненные фотографии процесса под спойлером
Фото спектроскопов и спектра
Самый первый вариант с куском картона
Второй вариант с коробкой из под чая
И отснятый спектр
Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:
фото спектрометра
Сразу скажу, эта модификация избавила меня от необходимости пользоваться камерой мобильного телефона, но был один недостаток камеру не удалось откалибровать под настройки сервиса Spectral Worckbench (о котором пойдет ниже речь). Поэтому захват спектра в режиме реального времени мне осуществить не удалось, но распознавать уже собранные фотографии вполне.
Итак допустим вы купили или собрали спектроскоп по указанной выше инструкции.
После этого создайте учетную запись в проекте PublicLab.org и переходите на страницу сервиса SpectralWorkbench.org Дальше я опишу вам ту методику распознавания спектра, которой пользовался сам.
Для начала нам надо будет откалибровать наш спектрометр, Для этого вам будет необходимо получить снимок спектра люминесцентной лампы, желательно — большой потолочной, но подойдет и энергосберегающая лампа.
1) Нажимаем кнопку Capture spectra
2) Upload Image
3) Заполняем поля, выбираем файл, выбираем new calibration, выбираем девайс (можно выбрать мини спектроскоп или просто custom), выбираем какой у вас спектр вертикальный или горизонтальный, чтобы было понятно спектры на скриншоте предыдущей программы — горизонтальные
4) Откроется окно с графиками.
5) Проверяем, как повернут ваш спектр. Слева должен быть синий диапазон, справа — красный. Если это не так выбираем кнопку more tools – flip horizontally, после чего видим, что изображение повернулось а график нет, так что нажимаем more tools – re-extract from foto, все пики снова соответствуют реальным пикам.
6) Нажимаем кнопку Calibrate, нажимаем begin, выбираем синий пик прямо на графике (см. скриншот), нажимаем ЛКМ и открывается всплывающее окно еще раз, теперь нам надо нажать finish и выбрать крайний зеленый пик, после чего страница обновиться и мы получим откалиброванное по длинам волн изображение.
Теперь можно заливать и другие исследуемые спектры, при запросе калибровки нужно указывать уже откалиброванный нами ранее график.
Скриншот
Вид настроенной программы
Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будете делать снимки на тот же самый аппарат, который калибровали изменение аппарата разрешения снимков, сильное смещение спектра на фото относительно положения на откалиброванном примере, может исказить результаты измерения.
Честно признаюсь я свои снимки слегка правил в редакторе. Если где была засветка, затемнял окружение, иногда немного поворачивал спектр, чтобы получить прямоугольное изображение, но еще раз повторюсь размер файла и расположение относительно центра снимка самого спектра лучше не менять.
С остальными функциями вроде макросов, авто или ручной подстройки яркости я предлагаю вам разобраться самостоятельно, на мой взгляд они не так критичны.
Полученные графики потом удобно переносить в CSV, при этом первое число будет дробной (вероятно дробной) длинной волны, а через запятую будет усредненное относительное значение интенсивности излучения. Полученные значения красиво смотреться в виде графиков, построенных например в Scilab
У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу.
Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья.
UPD: По просьбе DrZugrik , дополнительно напишу, что вариант с оборудованием SpectralWorckbench является одним из наиболее бюджетных, могут стоить 500 вечно условных единиц.
В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я и взятые у знакомого учителя физики.
Но потребность в таком приборе появляется периодически и спектроскоп, а еще лучше спектрометр хотелось бы иметь под рукой.
Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой
Раз вещь для ювелиров — то в комплекте шел «кожаный» чехол
Размеры у спектроскопа маленькие
Что в прочем было ясно из описания магазина
Собрано все крепко, так что расчлененки не будет.
Поверим и так, что с одной стороны трубки стоит объектив-линза, с другой дифракционная решетка и защитное стекло.
А внутри красивая радуга. Налюбовавшись ею вволю стал искать, а что бы такое посмотреть на спектре.
К сожалению, по прямому назначению спектроскоп применить не удалось, так как вся моя коллекция брильянтов и драгоценных камней ограничилась обручальным кольцом, совершенно непрозрачным и не дающим никакого спектра. Ну разве что в пламени горелки))).
Зато ртутная люминисцентная лампа честно дала много красивых полосок. Вволю налюбовавшись различными источниками света озадачился вопросом, что нужно картинку как то зафиксировать и спектр измерить.
Немного DIY
В голове уже давно крутилась картинка насадки на фотоаппарат, а под столом стоял , не прошедший еще последней модернизации, но вполне успешно справляющийся с ПВХ пластиком.
Конструкция получилась не очень красивой. Все таки люфты по X и Y я победил не до конца. Ничего ШВП уже лежат в сборе и ждут, когда опорные линейные рельсы приедут.
А вот функциональность получилось вполне приемлемой, чтобы радуга отобразилась на стареньком Canon, давно лежащем без дела.
Правда тут меня ждало разочарование. Красивая радуга становилась какой то дискретной.
Всему вина — RGB матрица любого фотоаппарата и камеры. Поигравшись с настройками баланса белого цвета и режимами съемки, я смирился с картинкой.
Ведь преломление света не зависит от того, каким цветом фиксировать изображение. Для спектрального анализа подошла бы и черно-белая камера с максимально равномерной чувствительностью по всей ширине измеряемого диапазона.
Методика спектрального анализа.
Путем проб и ошибок нарисовалась такая методика
1. Рисуется картинка шкалы видимого диапазона света (400-720нм), на ней обозначаются основные линии ртути для калибровки.
2. Снимается несколько спектров, обязательно с эталонным ртутным. В серии съемок нужно зафиксировать положение спектроскопа на объективе, чтобы исключить сдвиг спектра из серии снимков по горизонтали.
3. В графическом редакторе шкала подгоняется под ртутный спектр, а все остальные спектры масштабируются без горизонтального сдвига в редакторе. Получается что-то вроде этого
4. Ну а потом все загоняется в программу анализатор Cell Phone Spectrometer из этой статьи
Проверяем методику на зеленом лазере, у которого длина волны известна — 532нм
Погрешность получилась около 1% что при ручной методике подгона ртутных линий и рисования шкалы практически от руки очень даже неплохо.
Попутно узнал, что зеленые лазеры не прямого излучения, как красные или синие, а используют твердотельную диодную накачку (DPSS) с кучей вторичных излучений. Век живи — век учись!
Измерение длины волны красного лазера тоже подтвердило правильность методики
Для интереса померил спектр свечки
и горящего природного газа
Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений
Спектрометр готов и работает. Теперь буду готовить с его помощью следующий обзор — сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор.
Вкратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проекте
Тестирование спектрометра моим помощником
Обязательно посмотрите видео на каналах (есть тематические плейлисты):
https://www.youtube.com/channel/UCn5qLf1n8NS-kd7MAatofHw
https://www.youtube.com/channel/UCoE9-mQgO6uRPBQ9lsPZXxA
Пожалуйста, помогите набрать 1000 подписчиков на
первом канале
и не менее 4000 часов просмотров за последний год на каждом из них
, для этого посмотрите полностью не менее одного видео!
Эта красивая картинка является фотографией светового и инфракрасного спектра, излучаемого натриевой лампой высокого давления НЛВД типа ДНаТ
(Дуговые Натриевые Трубчатые). Для просмотра и фотографирования различных спектров достаточно иметь цифровой фотоаппарат и специально подготовленный CD-R
или DVD-R
. Последний, занижает яркость, особенно красного. CD-R снижает яркость синего и даёт меньшее разрешение. Первая фотография сделана через DVD-R.
Две жёлтые линии — это дублет натрия с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм. Второй дублет — инфракрасный 818,3 и 819,4 нм.
График спектра
.
Теперь несколько слов о подготовке дисков. Из диска нужно вырезать часть, позволяющую полностью закрыть объектив.
На фото DVD-R фиолетового цвета. Нам нужна прозрачная дифракционная решётка
, поэтому на CD-R наклеиваем широкий скотч со стороны надписей. Отрываем его и вместе со скотчем снимается покрытие диска. С DVD-R ещё проще, вырезанный кусок легко расслаивается на две части, одна из которых нам и нужна.
Теперь с помощью двухстороннего скотча нужно приклеить дифракционную решётку к объективу, как на фото ниже. Клеить нужно на сторону, противоположную той, с которой оторван слой, т.к. поверхность под слоем легко загрязнится от объектива, а после очистки качество изображения спектра будет хуже.
Получился простейший спектроскоп, подходящий лучше всего для исследования источников света с некоторого расстояния.
Если мы хотим исследовать не только видимый спектр, но и инфракрасный, а в некоторых случаях ультрафиолетовый, то необходимо удалить из фотоаппарата фильтр, блокирующий ИК лучи. Стоит отметить, что часть спектра ИК и УФ видима глазом
при достаточно большой интенсивности излучения (точки лазеров 780 и 808 нм, кристалл светодиода 940 нм в темноте). Если необходимо обеспечить одинаковое зрительное ощущение для длин волн 760 нм и 555 нм, то поток излучения для 760 нм должен быть в 20 000 раз мощнее. А для 365 нм в миллион раз мощнее.
Вернёмся к фильтру, который называется Hot Mirror
и находится перед матрицей. Нужно открыть корпус фотоаппарата, открутить шурупы, прикрепляющие матрицу к объективу, вытащить фильтр, собрать фотоаппарат в обратной последовательности. Выглядит Hot Mirror так:
2 левых фильтра из фотоаппаратов. У них розовый блеск, а бирюзовый цвет проявляется под другим углом. Кроме ИК, они ещё могут частично или полностью задерживать ультрафиолетовые лучи. Поэтому их удаление открывает возможности не только инфракрасной
съёмки, но и ультрафиолетовой
, если позволяет оптика и матрица фотоаппарата. Для УФ фотографии используют UV-pass фильтры
, блокирующие видимый свет.
Теперь переходим к самому процессу фотографирования спектров. Помещение должно быть тёмное, дополнительно можно использовать чёрный экран около фотоаппарата, источник света точечный или щелевой, минимально освещающий комнату. Включив фотоаппарат, мы увидим такое изображение на примере лазера 405 нм
, светящего через узкую щель между двух лезвий:
Центральная точка — это сам лазер. Две линии — его спектр. Можно использовать любую из них. Для это нужно повернуть фотоаппарат и приблизить. Если продолжать двигать фотоаппарат, то мы увидим несколько других линий второго, третьего и т.д. порядков спектра. В некоторых случаях они будут мешать, например зелёная линия второго порядка будут накладываться на инфракрасную линию 1064 нм. Это происходит в спектре зелёного лазера, если в нём не установлен фильтр, отсекающий ИК излучение. Он правый нижний на фотографии фильтров. Чтобы убрать наложение, я использовал красный светофильтр. Фото этого примера с подписанными длинами волн:
Как видно, зелёная линия второго порядка полностью закрыла линию 1064 нм. А следующее фото с заблокированным зелёным светом, где остаются только две ИК линии 808 нм и 1064 нм. Подписывать не стал, т.к. расположение идентично предыдущему фото.
По изображению, где присутствует источник излучения, одна известная длина волны и несколько неизвестных, их легко можно определить. Для примера открываем фото с подписями в фотошопе. С помощью инструмента «Линейка»
измеряем расстояние от лазера до линии 532. Оно равно 1876 пикселей. Измеряем расстояние от лазера до линии, длину волны которой хотим узнать, до 808. Расстояние 2815 п. Считаем 532*2815/1876=798 нм. Неточность происходит из-за искажения оптики объектива. При максимальном оптическом приближении ошибка уменьшается. Также было замечено, что лазер 808 нм излучает более короткую волну, около 802 нм, и у него уменьшается длина волны при уменьшении питающего тока.
И без источника излучения на фото можно определить, зная две другие длины волны. Измеряем длину от линии 532 до 1064, там 1901 п. От 532 до 808 получается 939 п. Считаем (1064-532)/1901*939+532=795 нм.
Но проще всего фотографию с двумя известными линиями сопоставить со шкалой
. В этом случае ничего считать не нужно.
Далее спектр лампы накаливания
, который очень похож на спектр Солнца, но не содержит Фраунгоферовы линии
. Интересно, что инфракрасное излучение до 800 нм фотоаппарат отображает как оранжевое, а более 800 нм выглядит как фиолетовый цвет.
Спектр белого светодиода
также непрерывный, но имеет провал перед зелёной областью и пик в синей области 450-460нм, который вызван использованием соответствующего синего светодиода, покрытого жёлтым люминофором. Чем выше цветовая температура светодиода, тем выше синий пик. В нём отсутствует ультрафиолет и инфракрасные лучи, которые присутствовали в спектре лампы накаливания.
А вот спектр лампы с холодным катодом
из подсветки монитора. Он линейчатый и точно повторяет спектр люминесцентной лампы
. ИК часть спектра взята от КЛЛ для получения лучшего качества изображения.
Теперь переходим к ультрафиолетовой лампе чёрного света
, или, как её ещё называют, лампе Вуда
. Она излучает мягкий длинноволновый ультрафиолет. Фотография получилась такая:
Спектр инфракрасного излучения
у люминесцентных ламп, CCFL, Вуда практически одинаковый. Только у последней отсутствует несколько линий, наиболее близких к видимому диапазону. ИК лучи наиболее интенсивно излучаются из тех частей ламп, где находятся нити накала. Фотография сделана через бумажный спектроскоп, подробнее о котором ниже.
Спектроскоп из бумаги.
Такой спектроскоп хорошо подходит для просмотра спектра глазом. Также его можно использовать с разными камерами, например телефонной. Существуют две разновидности.
2. Работает на отражение
от дифракционной решётки. Можно не расслаивать диски, но тогда рядом с яркими линиями от лазеров будут появляться бледные дублирующие, из-за переотражений внутри диска, которых в спектре не должно быть. Перенести блестящий слой CD на другую поверхность, чтобы он остался таким же гладким очень сложно. Поэтому нужно использовать CD, обладающий одинаковой радужной поверхностью с двух сторон. Со стороны, где на обычных дисках надписи, с помощью скотча нужно оторвать прозрачный слой. Важно, чтобы блестящий слой остался на диске. У меня получилось так сделать с половиной диска (от края к центру), этого хватило для спектроскопа. Если не оторвать прозрачный слой, то равномерный спектр будет казаться прерывистым с чередующимися тёмными полосами.
На спектроскоп приклеено дополнительное кольцо
, с помощью которого он держится на объективе фотоаппарата. Между источником света и спектроскопом рекомендуется ставить матовую плёнку или призму
с двумя матовыми гранями, как на фото, для лучшего распределения света. Внутренняя часть спектроскопа из чёрной бумаги без блеска, второй слой из фольги, а сверху обычная бумага, на которой распечатан чертёж. Сторону, в которую поступает свет, можно покрасить в чёрный цвет, чтобы УФ и фиолетовое излучение не вызывали белое свечение бумаги, искажающее картинку.
С помощью этого спектроскопа удалось чётко и ярко сфотографировать спектр неоновой индикаторной лампы
. Их используют для подсветки выключателей, в индикаторах работы чайников, плит и других приборах.
Одну тонкую линию спектра дают не только лазеры. Если проволоку опустить в раствор соли NaCl
, а потом внести в огонь газовой турбо горелки или зажигалки, то появится жёлтое свечение с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм
.
В некоторых турбо зажигалках есть пластина, содержащая литий
. Он окрашивает пламя в красный цвет с линией 670,78 нм
.
Ниже фотография этих спектральных линий вместе с линиями лазеров: зелёного 532 нм, красного 663 нм, инфракрасных 780 нм и 808 нм.
Удобно использовать описанный выше жёлтый свет для определения периода дифракционной решётки
при отсутствии лазера, и вычисления длины волны источников света
. Простейшее устройство на рисунке ниже состоит из двух линеек, на одной из которых закреплена дифракционная решётка, а над второй возвышается узкая щель из двух лезвий. Используются расстояния в миллиметрах от дифракционной решётки до экрана (линейки) с щелью и от щели (максимума нолевого порядка) до максимума первого порядка. На первом рисунке нужно смотреть через дифракционную решётку на источник света с известной длиной волны. Таким образом можно посчитать период дифракционной решётки формулой под этим изображением, а потом, этим же способом можно определять длину волны, но по формуле из под второго рисунка. На нём показано определение длины волны лазера немного другим способом: лазер светит через дифракционную решётку на линейку. В этом случае щель не нужна. Я использовал дифракционную решётку из насадки «Звёздное небо», которая шла в комплекте с лазерной указкой. Там две решётки, но насадка разбиралась и вытаскивалась одна решётка. Дифракционная решётка из CD совершенно не подошла, т.к. давала огромную ошибку в 100 нм.
Следующая фотография редкого источника света — молнии
. Спектр заходит в УФ диапазон примерно до 373 нм, что является пределом для этого фотоаппарата.
Спектр белой газоразрядной лампы, которая освещает футбольное поле.
На схеме: 1 — источник излучения, 2,4 — колиммирующая оптика, 3 — входная диафрагма, 5 — неподвижное зеркало, 6 — подвижное зеркало, 7 — привод зеркала, 8 — светоделительная пластинка, 9 — лазер опорного канала, 10 — фотоприемник опорного канала, 11 — фокусирующая оптика, 12 — фотоприемник сигнала.
Для того, чтобы стабилизировать скорость движения подвижного зеркала, и обеспечить «привязку» спектрометра к абсолютным значениям длин волн, в спектрометр вводят опорный канал, состоящий из лазера и его фотоприемника (9 и 12 на схеме). Лазер в таком случае выступает эталоном длины волны. В высококачественных спектрометрах для этих целей используют одночастотные газовые лазеры. В результате точность измерения длин волн получается очень высокой.
Фурье-спектрометры обладают и другими преимуществами по сравнению с классическими спектрометрами.
Важная особенность Фурье-спектрометров — при использовании даже одного фотоприемника, одновременно регистрируются все спектральные элементы, что дает энергетический выигрыш по сравнению с поэлементным механическим сканированием (выигрыш Фэлжетта).
Фурье-спектрометры не требуют использования оптических щелей, которые задерживают большую часть светового потока, что дает большой выигрыш в светосиле (выигрыш Жакино).
В Фурье-спектрометрах нет проблемы наложения спектров, как в спектрометрах с дифракционными решетками, за счет чего спектральный диапазон исследуемого излучения может быть очень широким, и определяется параметрами фотоприемника и светоделительной пластины.
Разрешающая способность Фурье-спектрометров может быть намного выше, чем в традиционных спектрометрах. Она определяется разностью хода подвижного зеркала Δ. Разрешаемый интервал волн определяется выражением: δλ = λ^2/Δ
Однако есть и важный недостаток — большая механическая и оптическая сложность спектрометра. Для возникновения интерференции оба зеркала интерферометра должны быть очень точно выставлены перпендикулярно друг другу. При этом одно из зеркал должно совершать продольные колебания, но перпендикулярность должна сохраняться с той же точностью. В высококачественных спектрометрах в некоторых случаях для компенсации наклона подвижного зеркала в процессе движения при помощи пьезоэлектрических приводов наклоняют неподвижное зеркало. Для получения информации о текущем наклоне измеряются параметры опорного луча от лазера.
Практика
Я абсолютно не был уверен в том, что можно сделать Фурье-спектрометр в домашних условиях, не имея доступа к нужным станкам (как я уже упоминал, механика — самая сложная часть спектрометра). Поэтому спектрометр делался поэтапно.
Одна из наиболее важных частей спектрометра — узел неподвижного зеркала. Именно его нужно будет юстировать (плавно перемещать) в процессе сборки. Нужно было обеспечить возможность наклонять зеркало по двум осям, и точно перемещать его в продольном направлении (зачем — ниже), при этом зеркало не должно наклонятся.
Основой узла неподвижного зеркала стал одноосевой столик с микрометрическим винтом. Эти узлы у меня уже были, нужно было только соединить их вместе. Для безлюфтовой связи я использовал простой прижим столика к микрометрическому винту пружиной, находящейся внутри основания столика.
Его я сделал, используя три юстировочных винта, снятых со сломанного теодолита. Металлическая пластина с приклеенным зеркалом прижимается пружинами к торцам этих винтов, а сами винты закреплены в металлическом уголке, прикрученном к
столику.
Конструкция понятна из фотографий:
Видны юстировочные винты зеркала и микрометрический винт.
Спереди видно само зеркало. Оно взято из сканера. Важная особенность зеркала — зеркальное покрытие должно быть спереди зеркала, и для того, чтобы интерференционные линии не были кривыми, поверхность зеркала должна быть довольно качественной.
Вид сверху:
Видны пружины, прижимающие столик в микрометрическому винту и крепление пластины с зеркалом к уголку.
Как видно из фотографий, узел неподвижного зеркала прикреплен к доске из ДСП. Деревянное основание интерферометра — явно не лучшее решение, но из металла в домашних условиях его было сделать проблематично.
Теперь можно проверить возможность получить интерференцию в домашних условиях — то есть собрать интерферометр. Одно зеркало уже есть, поэтому нужно добавить второе тестовое зеркало и светоделитель. У меня был светоделительный кубик, и я использовал именно его, хотя кубик в интерферометре работает хуже, чем светоделительная пластинка — его грани дают дополнительные переотражения света. Получилась такая конструкция:
На одну из граней кубика, не обращенную к зеркалу, нужно направить свет, а через другую можно наблюдать интерференцию.
После сборки зеркала расположены слишком не перпендикулярно, и поэтому нужно выполнить первичную юстировку. Ее я делал при помощи маломощного лазерного диода, соединенного с коллимирующей линзой достаточно большого диаметра. На лазер нужно подать очень маленький ток — такой, чтобы можно было смотреть прямо на кристалл. В результате получается точечный источник света.
Лазер устанавливается перед интерферометром, и его отражения в зеркалах наблюдаются через кубик. Для удобства наблюдения я приставил к кубику призму, направляющую вышедшее из кубика излучение вверх. Теперь, поворачивая юстировочные винты зеркала, нужно совместить два видимых отражения лазера в одно.
К сожалению, фотографий этого процесса у меня нет, и выглядит он не очень понятно — из-за бликов в кубике видно много светящихся точек. Все становится значительно понятней, когда начинаешь поворачивать юстировочные винты — часть точек начинает перемещаться, а часть остается на месте.
После того, как зеркала выставлены вышеописанным образом, достаточно увеличить мощность лазера — и вот она, интерференция! Выглядит она практически так же, как и на фотографии в начале статьи. Однако излучение лазера глазами наблюдать опасно, так что чтобы увидеть интерференцию, нужно установить после кубика какой-либо экран. Я использовал простой листок бумаги, через который видно интерференционные полосы — мощности и когерентности лазера хватает, чтобы создать достаточно контрастное изображение. Поворачивая юстировочные винты зеркала, можно изменять ширину полос — очевидно, что слишком узкие полосы наблюдать проблематично. Чем лучше интерферометр отъюстирован, тем шире полосы. Однако, как я уже упоминал, малейшие отклонения зеркал приводят к разъюстировке, и следовательно, линии становятся слишком узкими и неразличимыми. Чувствительность получившегося интерферометра к деформациям и вибрациям огромная — достаточно нажать на доску-основание в любом месте, и линии начинают перемещаться. Даже шаги в комнате приводят к дрожанию линий.
Однако интерференция когерентного лазерного света — это еще не то, что нужно для работы Фурье-спектрометра. Такой спектрометр должен работать с любым источником света, в том числе и белым. Длина когерентности белого света — около 1 мкм.
У светодиодов эта величина может быть больше — несколько десятков микрометров. Интерферометр формирует интерференционную картину только тогда, когда разность хода световых лучей для между каждым из зеркал и светоделителем меньше длины когерентности излучения. У лазера, даже полупроводникового, она большая — больше нескольких миллиметров, поэтому интерференция возникает сразу после юстировки зеркал. А вот даже от светодиода интерференцию получить в разы сложнее — перемещая зеркало в продольном направлении микрометрическим винтом, нужно добиться того, чтобы разность хода лучей попала в нужный микронный диапазон.
Однако, как я уже говорил, при перемещении, особенно достаточно большом (сотни микрон), из-за недостаточно качественной механики столика, зеркало может немного поворачиваться, что приводит к тому, что условия для наблюдения интерференции исчезают. Поэтому часто приходится вновь устанавливать вместо светодиода лазер и поправлять юстировку зеркала винтами.
В конце-концов, после получасовых попыток, когда уже казалось, что это совсем не реально, мне удалось получить интерференцию света от светодиода.
Как оказалось немного позже, вместо того, чтобы наблюдать интерференцию через бумажку на выходе кубика, лучше установить матовую пленку перед кубиком — так получается протяженный источник света
. В результате интерференцию можно наблюдать непосредственно глазами, что заметно упрощает наблюдение.
Получилось вот так (видно отражение кубика в призме):
Потом удалось получить и интерференцию в белом свете от светодиодного фонаря (на фотографии видно матовую пленку — она обращена торцом к фотоаппарату и на ней видно тусклое пятно света от фонаря):
Если потрогать любое из зеркал, то линии начинают перемещаться и тускнеть, пока не исчезнут совсем. Период линий зависит от длины волны излучения, как показано на синтезированной картинке, найденной на просторах интернета:
Теперь, когда интерферометр сделан, нужно сделать узел подвижного зеркала взамен тестового. Изначально я планировал просто приклеить небольшое зеркало к динамику, и подавая на него ток, изменять положение зеркала. Получилась такая конструкция:
После установки, потребовавшей новой юстировки неподвижного зеркала, оказалось, что зеркало слишком сильно качается на диффузоре динамика и его несколько перекашивает при подаче тока через динамик. Тем не менее, изменяя ток через динамик, можно было плавно перемещать зеркало.
Поэтому я решил сделать конструкцию попрочней, используя механизм, который применяют в некоторых спектрометрах — пружинный параллелограмм. Конструкция понятна из фотографии:
Получившийся узел оказался значительно прочней предыдущего, хотя жесткость металлических пластинок-пружин вышла несколько высокой.
Слева — доска из оргалита, с отверстием-диафрагмой. Защищает спектрометр от внешних засветок.
Между отверстием и светоделительным кубиком установлена коллимирующая линза, приклеенная к металлической оправе:
На оправе виден специальный пластиковый держатель, в который можно вставлять матовую пленку (лежит в правом нижнем углу).
Установлен объектив для фотоприемника. Между объективом и кубиком установлено маленькое зеркало на поворачиваемом креплении. Оно заменяет призму, которая использовалась ранее. Фотография в начале статьи сделана именно через него. При повороте зеркала в положение для наблюдения оно перекрывает объектив, и регистрация спектрограммы становится невозможной. При этом нужно прекращать подавать сигнал на динамик подвижного зеркала — из-за слишком быстрых колебаний линии глазом не видны.
Внизу в центре виден еще один одноосевой столик. Изначально на нем был закреплен фотодатчик, но особых преимуществ столик не давал, и позже я его снял.
Спереди установил фокусирующий объектив от фотоаппарата:
Для упрощения юстировки и тестирования спектрометра установил красный фотодиод около диафрагмы.
Диод установлен на специальном поворотном держателе, так что его можно использовать как источник тестового излучения для спектрометра, поток света от объектива при этом перекрывается. Управляется светодиод выключателем, установленным под держателем.
Теперь стоит немного подробнее рассказать про фотодатчики. Изначально планировалось использовать только один обычный кремниевый фотодиод. Однако первые попытки сделать качественный усилитель для фотодиода оказались провальными, так что я решил использовать фотодатчик OPT101, который уже содержит в в себе усилитель с коэффициентом преобразования 1000000 (1 мка -> 1В).
Этот датчик работал довольно хорошо, особенно после того, как я снял вышеупомянутый столик, и точно выставил датчик по высоте.
Однако кремниевый фотодиод способен принимать излучение только в диапазоне длин волн 400-1100 нм.
Линии поглощения различных веществ обычно лежат дальше, и для их обнаружения нужен другой диод.
Для работы в ближней ИК области есть несколько типов фотодиодов. Для простого самодельного прибора наиболее подходят германиевые фотодиоды, способные принимать излучение в диапазоне 600 — 1700 нм. Эти диоды выпускались еще при СССР, поэтому они относительно дешевы и доступны.
Чувствительность фотодиодов:
Мне удалось достать фотодиоды ФД-3А, и ФД-9Э111. В спектрометре я использовал второй — он обладает несколько большей чувствительностью. Для этого фотодиода пришлось все же собрать усилитель. Он сделан с использованием операционного усилителя TL072. Для того, чтобы усилитель заработал, понадобилось обеспечить ему питание напряжением отрицательной полярности. Чтобы получить такое напряжение, я использовал готовый DC-DC преобразователь с гальванической развязкой.
Фотография фотодиода вместе с усилителем:
На обоих фотодиодах должен быть сфокусирован поток света из интерферометра. Для того, чтобы разделить поток света от объектива, можно было бы использовать светоделительную пластинку, однако это привело бы к ослаблению сигналов с диодов. Поэтому после объектива было установлено еще одно поворотное зеркало, при помощи которого можно направлять свет на нужный диод. В результате получился такой узел фотодатчиков:
В центре фотографии находится объектив, сверху на нем закреплен лазер опорного канала. Лазер тот же, что в дальномере , взятый из DVD привода. Лазер начинает формировать качественное когерентное излучение только при определенном токе. Мощность излучения при этом достаточно высокая. Поэтому, чтобы ограничить мощность луча, мне пришлось закрыть объектив лазера светофильтром. Справа закреплен датчик на OPT101, внизу — германиевый фотодиод с усилителем.
В опорном канале для приема излучения лазера используется фотодиод ФД-263, сигнал от которого усиливается операционным усилителем LM358. В этом канале уровень сигнала очень большой, так что коэффициент усиления — 2.
Получилась вот такая конструкция:
Под держателем тестового светодиода находится маленькая призма, направляющая луч лазера в сторону фотодиода опорного канала.
Пример осциллограммы, получаемой со спектрометра (источником излучения служит белый светодиод):
Желтая линия — сигнал, подаваемый на динамик подвижного зеркала, голубая линия — сигнал с OPT101, красная — результат Фурье-преобразования, выполняемого осциллографом.
Программная часть
Без программной обработки Фурье-спектрометр невозможен — именно на компьютере проводится обратное Фурье-преобразование, преобразовывающее интерферограмму, полученную от спектрометра, в спектр исходного сигнала.
В моем случае особую сложность создает то, что я управляю зеркалом синусоидальным сигналом. Из-за этого зеркало также движется по синусоидальному закону, и это значит, что его скорость постоянно меняется. Получается, что сигнал с выхода интерферометра оказывается промодулирован по частоте. Таким образом, программа должна производить еще и коррекцию частоты обрабатываемого сигнала.
Вся программа написана на C#. Работа со звуком производится при помощи библиотеки NAudio. Программа не только обрабатывает сигнал от спектрометра, но и формирует синусоидальный сигнал частотой 20 Гц для управления подвижным зеркалом. Более высокие частоты хуже передаются механикой подвижного зеркала.
Процесс обработки сигнала можно разделить на несколько этапов, и результаты обработки сигнала в программе можно просматривать на отдельных вкладках.
Сначала программа получает массив данных от аудиокарты. Этот массив содержит данные от основного и опорного каналов:
Вверху — опорный сигнал, внизу — сигнал от одного из фотодиодов на выходе интерферометра. В качестве источника сигнала в данном случае используется зеленый светодиод.
Обработка опорного сигнала оказалась довольно непростой. Приходится искать локальные минимумы и максимумы сигнала (отмечены на графике цветными точками), вычислять скорость движения зеркала (оранжевая кривая), искать точки минимума скорости (отмечены черными точками). Для этих точек важна симметричность опорного сигнала, так что они не всегда точно совпадают с реальным минимумом скорости.
Один из найденных минимумов скорости принимается за начало отсчета интерферограммы (отмечен красной вертикальной линией). Далее выделяется один период колебания зеркала:
Число периодов колебаний опорного сигнала за один проход зеркала (между двумя черными точками на скриншоте выше) указано справа: «REF PERIODS: 68». Как я уже упоминал, полученная интерферограмма промодулирована по частоте, и ее нужно скорректировать. Для коррекции я использовал данные о текущем периоде колебаний сигнала в опорном канале. Коррекция проводится путем интерполяции сигнала методом кубических сплайнов. Результат виден ниже (отображается только половина интерферограммы):
Интерферограмма получена, теперь можно выполнять обратное Фурье-преобразование. Оно производится при помощи библиотеки FFTW. Результат преобразования:
В результате такого преобразования получается спектр исходного сигнала в области частот. На скриншоте он пересчитан в обратные сантиметры (СМ^-1), которые часто используются в спектроскопии. Но мне все же больше привычна шкала в длинах волн, поэтому спектр приходится пересчитывать:
Видно, что разрешение спектрометра падает с ростом длины волны. Немного улучшить форму спектра можно, добавив в конец интерферограммы нули, что равносильно проведению интерполяции после выполнения преобразования.
Примеры полученных спектров
Излучение лазера:
Слева — на лазер подается номинальный ток, справа — значительно меньший ток. Как видно, при уменьшении тока когерентность излучения лазера падает, увеличивается ширина спектра.
В качестве источников использовались: «ультрафиолетовый» диод, синий, желтый, белый диоды, и два ИК диода с разными длинами волн.
Спектры пропускания некоторых светофильтров:
Показаны спектры излучения после интерференционных светофильтров, снятых с денситометра. В правом нижнем углу — спектр излучения после ИК фильтра, снятого с фотоаппарата. Стоит отметить, что это не коэффициенты пропускания этих фильтров — для измерения кривой пропускания светофильтра нужно учитывать форму спектра источника света — в моем случае это лампа накаливания. С такой лампой у спектрометра оказались определенные проблемы — как оказалось, спектры широкополосных источников света получаются как-то коряво. Я так и не смог выяснить, с чем это связано. Возможно проблема связана с нелинейным движением зеркала, возможно — с дисперсией излучения в кубике, либо плохой коррекцией неравномерной спектральной чувствительности фотодиода.
А вот и полученный спектр излучения лампы:
Зубцы на спектре справа — особенность работы алгоритма, компенсирующего неравномерную спектральную чувствительность фотодиода.
В идеале, спектр должен выглядеть вот так:
Испытывая спектрометр, нельзя не посмотреть спектр лампы дневного света — он имеет характерную «полосатую» форму. Однако при регистрации спектра Фурье-спектрометром спектра обычной лампы на 220В возникает проблема — лампа мерцает. Тем не менее, Фурье преобразование позволяет выделить более высокочастотные колебания (единицы кГц), даваемые интерференцией, из низкочастотных (100 Гц), даваемых сетью:
Спектр люминесцентной лампы, полученный промышленным спектрометром:
Все спектры выше были получены с использованием кремниевого фотодиода. Теперь приведу спектры, полученные с германиевым фотодиодом:
Первым идет спектр лампы накаливания. Как видно, он не очень-то похож на спектр реальной лампы (уже приведенный ранее).
Правей — спектр пропускания раствора медного купороса. Интересно, что он не пропускает ИК излучение. Небольшой пик на 650 нм связан с переотражением излучения лазера из опорного канала в основой.
Вот так снимался спектр:
Ниже идет спектр пропускания воды, справа от него — график реального спектра пропускания воды.
Дальше идут спектры пропускания ацетона, раствора хлорного железа, изопропилового спирта.
Напоследок приведу спектры солнечного излучения, полученные кремниевым и германиевым фотодиодами:
Неровная форма спектра связана с поглощением солнечного излучения веществами, содержащимися в атмосфере. Справа — реальная форма спектра. Форма спектра, полученного германиевым фотодиодом, заметно отличается от реального спектра, хотя линии поглощения находятся на своих местах.
Таким образом, несмотря на все проблемы, мне все же удалось получить в домашних условиях интерференцию белого света и сделать Фурье-спектрометр. Как видно, он не лишен недостатков — спектры получаются несколько кривые, разрешение получилось даже хуже, чем у некоторых самодельных спектрометров с дифракционной решеткой (в первую очередь это связано с малым ходом зеркала подвижного зеркала). Но тем не менее — он работает!
Теги:
Добавить метки
- Tutorial
Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр.
Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение.
Внимание! Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.
Человек и спектроскоп
Я буду повествовать вам в том порядке, в котором проходил все этапы сам, можно сказать от худшего к лучшему. Если кто-то нацелен сразу на более ли менее серьезный результат, то половину статьи можно смело пропустить. Ну а людям с кривыми руками (как у меня) и просто любопытным будет интересно почитать про мои мытарства с самого начала.
В интернете гуляет достаточное количество материалов о том, как собрать спектрометр/спектроскоп своими руками из подручных материалов.
Для того чтобы обзавестись спектроскопом в домашних условиях, в самом простом случае понадобится совсем не много — CD/DVD болванка и коробка.
На мои первые опыты в изучении спектра меня натолкнул этот материал — Спектроскопия
Собственно благодаря наработкам автора, я собрал свой первый спектроскоп из пропускающей дифракционной решетки DVD диска и картонной коробки из под чая, а еще ранее до этого мне хватило плотного куска картона с прорезью и пропускающей решетки от DVD болванки.
Не могу сказать, что результаты были ошеломляющие, но первые спектры получить вполне удалось, чудом сохраненные фотографии процесса под спойлером
Фото спектроскопов и спектра
Самый первый вариант с куском картона
Второй вариант с коробкой из под чая
И отснятый спектр
Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:
фото спектрометра
Сразу скажу, эта модификация избавила меня от необходимости пользоваться камерой мобильного телефона, но был один недостаток камеру не удалось откалибровать под настройки сервиса Spectral Worckbench (о котором пойдет ниже речь). Поэтому захват спектра в режиме реального времени мне осуществить не удалось, но распознавать уже собранные фотографии вполне.
Итак допустим вы купили или собрали спектроскоп по указанной выше инструкции.
После этого создайте учетную запись в проекте PublicLab.org и переходите на страницу сервиса SpectralWorkbench.org Дальше я опишу вам ту методику распознавания спектра, которой пользовался сам.
Для начала нам надо будет откалибровать наш спектрометр, Для этого вам будет необходимо получить снимок спектра люминесцентной лампы, желательно — большой потолочной, но подойдет и энергосберегающая лампа.
1) Нажимаем кнопку Capture spectra
2) Upload Image
3) Заполняем поля, выбираем файл, выбираем new calibration, выбираем девайс (можно выбрать мини спектроскоп или просто custom), выбираем какой у вас спектр вертикальный или горизонтальный, чтобы было понятно спектры на скриншоте предыдущей программы — горизонтальные
4) Откроется окно с графиками.
5) Проверяем, как повернут ваш спектр. Слева должен быть синий диапазон, справа — красный. Если это не так выбираем кнопку more tools – flip horizontally, после чего видим, что изображение повернулось а график нет, так что нажимаем more tools – re-extract from foto, все пики снова соответствуют реальным пикам.
6) Нажимаем кнопку Calibrate, нажимаем begin, выбираем синий пик прямо на графике (см. скриншот), нажимаем ЛКМ и открывается всплывающее окно еще раз, теперь нам надо нажать finish и выбрать крайний зеленый пик, после чего страница обновиться и мы получим откалиброванное по длинам волн изображение.
Теперь можно заливать и другие исследуемые спектры, при запросе калибровки нужно указывать уже откалиброванный нами ранее график.
Скриншот
Вид настроенной программы
Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будете делать снимки на тот же самый аппарат, который калибровали изменение аппарата разрешения снимков, сильное смещение спектра на фото относительно положения на откалиброванном примере, может исказить результаты измерения.
Честно признаюсь я свои снимки слегка правил в редакторе. Если где была засветка, затемнял окружение, иногда немного поворачивал спектр, чтобы получить прямоугольное изображение, но еще раз повторюсь размер файла и расположение относительно центра снимка самого спектра лучше не менять.
С остальными функциями вроде макросов, авто или ручной подстройки яркости я предлагаю вам разобраться самостоятельно, на мой взгляд они не так критичны.
Полученные графики потом удобно переносить в CSV, при этом первое число будет дробной (вероятно дробной) длинной волны, а через запятую будет усредненное относительное значение интенсивности излучения. Полученные значения красиво смотреться в виде графиков, построенных например в Scilab
У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу.
Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья.
Всем привет! Вы смотрите Огненное ТВ! Сегодня мы будем делать спектрометр
!
Наверное уже все слышали о том, что для здоровья очень важно, что бы источники света в квартире и на работе имели полный спектр света.
Но как узнать какой спектр у вашей лампочки?
Потребуется спектрометр. Покупные стоят очень дорого, а самодельный можно сделать очень легко и для его изготовления не требуется особой точности.
Даже если у тебя вместо рук две ноги и обе левые, то все равно ты сможешь собрать эту штуку, и она будет работать!
Для начала изготовим корпус из плотной бумаги или картона. Я уже проверил пару вариантов и опытным путем подобрал необходимые размеры. Если вдруг вы решите собрать такую же штуку, то я начертил готовую схему, которую можно скачать на моем сайте, распечатать на обычном листе вырезать и склеить.
Внутренняя поверхность не должна отражать свет, иначе картинка будет засвечена.
Маркер отлично справится с этой задачей. Я закрасил все участки картона на которые может попадать свет.
Теперь потребуется дифракционная решетка. Именно она разбивает луч света на спектр.
Добыть ее можно из любого диска CD, DVD или Blu-ray
Структура оптических дисков устроена таким образом, что они имеют небольшие неровности, которые вызывают дифракцию света.
Штампованные диски имеют неровности в виде небольших черточек, а перезаписываемые чистые болванки изначально имеют ровные бороздки.
В принципе не важно какие диски использовать, но желательно чтоб эти бороздки или неровности были как можно чаще, DVD диски — это оптимальный вариант.
Сейчас проведем простейший эксперимент. Свет от лампочки будет падать на диск и часть отразится в виде небольшой радуги, это и будет спектр источника света.
Что бы захватить весь спектр, нужно придвинуть камеру очень близко.
Вот так выглядит спектр света, исходящего от светодиодной лампы.
А вот так выглядит спектр энергосберегающей лампы, разница огромная.
А вот спектр обычной лампы накаливания, видно, что в ее спектре очень много красной составляющей.
А вот это спектр видимого света ультрафиолетовой лампы, видно что кроме фиолетового в ней присутствует еще и зеленый.
Теперь сравним три разных болванки:
Тут мы видим, что у CD диска самый худший результат, цвета слишком размытые.
Разделение света на спектр можно увидеть, если посветить фонариком в центр диска, или поставить диск за горящей свечей, получается очень красивый эффект.
Возвращаемся к нашему спектрометру!
Вырезаем прямоугольный кусок подходящего размера.
После того, как диск обрезан со всех сторон, его очень легко можно разделить на две части, на зеркальную и прозрачную.
Нам понадобится прозрачная часть. Приклеиваю ее к картону.
Теперь аккуратно склеиваю корпус.
Получилось хорошо, но я как всегда капнул клеем на самую ответственную часть.
В принципе простейший прибор для наблюдения за спектром света готов.
Достаточно просто направить его на любой источник света и посмотреть на пластиковую пластинку.
Если прислонить получившуюся коробочку к камере смартфона, то можно сделать снимки и по ним проанализировать спектр, позже я покажу как это сделать.
Как видите, через такой прибор спектр видно более четко, особенно это заметно, если смотреть на люминесцентную лампу. Все пиковые значения видны более отчетливо.
Делать снимки — это не очень удобно, гораздо удобней анализировать источник света в реальном времени!
Для этого потребуется просто прислонить веб камеру прямо к пластиковой платине.
Можно было также придумать крепление из картона, но я решил изготовить более прочный вариант прибора из макетного пластика. Это вспененный пвх-пластик, один из моих любимейших материалов, его легко резать и легко склеивать суперклеем. Из него можно сделать все что угодно, я часто им пользуюсь и у меня спрашивали, как он называется и где его брать. Просто забейте в поиске «пенопвх» или «макетный пластик» и вы обязательно найдете то что нужно.
В пластиковом спектрометре я сделал выдвижную заслонку, что бы можно было регулировать количество света, попадающего внутрь прибора.
Для камеры я сделал небольшой корпус, предварительно вручную настроив ее фокус на объекты находящиеся примерно в одно метре от ее объектива.
Корпус с камерой креплю к основной части прибора таким образом, чтобы был небольшой зазор в который можно будет задвинуть кусок диска, я смогу менять их при необходимости.
сзади наклеиваю заглушку с прорезью, чтобы можно было вытолкнуть кусок диска из корпуса для замены.
Чтоб прибор уверенно стоял и его можно было четко настроить, я приделал ему ноги и закрепил их на куске фанеры. Теперь спектрометр можно направить на источник света и спокойно производить измерения.
Дальнейшая работа будет проводиться вот на этом сайте, ссылку на него вы тоже найдете в описании.
Нажимаем кнопку «захват спектра».
Двигаем прибором так, чтобы он получше поймал свет, регулируем заслонку, чтоб скорректировать яркость и жмем на центр нашей радуги, так чтоб желтая полоска проходила максимально через весь спектр. Считываться с камеры будут значения именно под этой полоской.
Нажимаем синюю кнопку «начать»
Видим, как появился график в реальном времени, но значения в нанометрах не совсем правильные, нужна калибровка.
На открывшейся странице нажимаем кнопку «калибровать».
Теперь нужно подтянуть синий и зеленый цвета, так, что бы пиковые значения примерно совпали с вашим спектром. Кстати, калибровать нужно только по свету энергосберегающих люминесцентных ламп, у них самый прерывистый спектр и можно увидеть пиковые значения.
После того, как синий и зеленый цвета подвинуты на свои места, снова нажимаем кнопку «захват спектра» и получаем спектр с откалиброванными значениями.
Если подвигать заслонкой, то можно видеть, как меняется яркость.
Я поставил лампу накаливания, и увидел, что ее спектре слишком много синего цвета, а такого не может быть, у ламп накаливание преобладает красный цвет в спектре.
Я вспомнил, что кусок DVD болванки был не прозрачный, а слегка фиолетовый. Этого было достаточно что бы сильно сдвинуть спектр в синюю сторону. Пришлось разрезать другой диск и найти прозрачный пластик, который не будет давать цветовых искажений.
После замены и калибровки все пришло в норму, в спектре лампы накаливания теперь много красного и мало синего.
Спектр светодиодной лампы очень похож на лампу накаливания.
А теперь лазерная указка!
Сложно попасть так, что бы получить стабильное значение, но все равно видно что основной пик приходится примерно на 650 нанометров.
Это соответствует заявленным характеристикам указанным на этикетке. 650 плюс-минус 10 нанометров.
И еще раз давайте глянем на ультрафиолетовую лампу.
Камера фиксирует только видимый спектр света, и может увидеть только синий, фиолетовый и немного зеленого.
С видиофиксацией спектра вроде разобрались, а что делать с фото сделанные на телефон?
Я открываю полученные фото в графическом редакторе, выделяю самую красивую часть спектра и растягиваю ее по высоте. Важно чтобы синяя часть спектра была слева или сверху, это необходимо для анализа.
Далее загружаю на сайт и калибрую как и раньше.
Спектр люминесцентной лампы легко калибруется, а вот со спектрами от других ламп придется постараться.
В принципе, если закрепить телефон и сделать снимки сначала люминесцентной лампы, а потом других источников света, не двигая телефон, чтобы ничего не сбилось, то можно тоже достаточно точно изучить их спектр.
Пользоваться сайтом для анализа спектра – не очень удобно, но я не нашел других вариантов, Если у вас есть идеи, как проанализировать спектр более удобным методом, то обязательно напишите их в комментариях.
У меня на этом все, до новых встреч, пока!
- Tutorial
Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр.
Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение.
Внимание! Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.
Человек и спектроскоп
Я буду повествовать вам в том порядке, в котором проходил все этапы сам, можно сказать от худшего к лучшему. Если кто-то нацелен сразу на более ли менее серьезный результат, то половину статьи можно смело пропустить. Ну а людям с кривыми руками (как у меня) и просто любопытным будет интересно почитать про мои мытарства с самого начала.
В интернете гуляет достаточное количество материалов о том, как собрать спектрометр/спектроскоп своими руками из подручных материалов.
Для того чтобы обзавестись спектроскопом в домашних условиях, в самом простом случае понадобится совсем не много — CD/DVD болванка и коробка.
На мои первые опыты в изучении спектра меня натолкнул этот материал — Спектроскопия
Собственно благодаря наработкам автора, я собрал свой первый спектроскоп из пропускающей дифракционной решетки DVD диска и картонной коробки из под чая, а еще ранее до этого мне хватило плотного куска картона с прорезью и пропускающей решетки от DVD болванки.
Не могу сказать, что результаты были ошеломляющие, но первые спектры получить вполне удалось, чудом сохраненные фотографии процесса под спойлером
Фото спектроскопов и спектра
Самый первый вариант с куском картона
Второй вариант с коробкой из под чая
И отснятый спектр
Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:
фото спектрометра
Сразу скажу, эта модификация избавила меня от необходимости пользоваться камерой мобильного телефона, но был один недостаток камеру не удалось откалибровать под настройки сервиса Spectral Worckbench (о котором пойдет ниже речь). Поэтому захват спектра в режиме реального времени мне осуществить не удалось, но распознавать уже собранные фотографии вполне.
Итак допустим вы купили или собрали спектроскоп по указанной выше инструкции.
После этого создайте учетную запись в проекте PublicLab.org и переходите на страницу сервиса SpectralWorkbench.org Дальше я опишу вам ту методику распознавания спектра, которой пользовался сам.
Для начала нам надо будет откалибровать наш спектрометр, Для этого вам будет необходимо получить снимок спектра люминесцентной лампы, желательно — большой потолочной, но подойдет и энергосберегающая лампа.
1) Нажимаем кнопку Capture spectra
2) Upload Image
3) Заполняем поля, выбираем файл, выбираем new calibration, выбираем девайс (можно выбрать мини спектроскоп или просто custom), выбираем какой у вас спектр вертикальный или горизонтальный, чтобы было понятно спектры на скриншоте предыдущей программы — горизонтальные
4) Откроется окно с графиками.
5) Проверяем, как повернут ваш спектр. Слева должен быть синий диапазон, справа — красный. Если это не так выбираем кнопку more tools – flip horizontally, после чего видим, что изображение повернулось а график нет, так что нажимаем more tools – re-extract from foto, все пики снова соответствуют реальным пикам.
6) Нажимаем кнопку Calibrate, нажимаем begin, выбираем синий пик прямо на графике (см. скриншот), нажимаем ЛКМ и открывается всплывающее окно еще раз, теперь нам надо нажать finish и выбрать крайний зеленый пик, после чего страница обновиться и мы получим откалиброванное по длинам волн изображение.
Теперь можно заливать и другие исследуемые спектры, при запросе калибровки нужно указывать уже откалиброванный нами ранее график.
Скриншот
Вид настроенной программы
Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будете делать снимки на тот же самый аппарат, который калибровали изменение аппарата разрешения снимков, сильное смещение спектра на фото относительно положения на откалиброванном примере, может исказить результаты измерения.
Честно признаюсь я свои снимки слегка правил в редакторе. Если где была засветка, затемнял окружение, иногда немного поворачивал спектр, чтобы получить прямоугольное изображение, но еще раз повторюсь размер файла и расположение относительно центра снимка самого спектра лучше не менять.
С остальными функциями вроде макросов, авто или ручной подстройки яркости я предлагаю вам разобраться самостоятельно, на мой взгляд они не так критичны.
Полученные графики потом удобно переносить в CSV, при этом первое число будет дробной (вероятно дробной) длинной волны, а через запятую будет усредненное относительное значение интенсивности излучения. Полученные значения красиво смотреться в виде графиков, построенных например в Scilab
У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу.
Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья.
Сейчас своими руками мы соберем два варианта дифракционного спектроскопа. Спектроскоп – прибор, который позволяет исследовать спектр света, за счет разведения его спектральных составляющих вдоль определенной оси. Разделить свет на монохроматические волны можно или за счет явления дисперсии, либо за счет дифракции. В данном случае мы будем использовать дифракцию, так как у нас под рукой есть отличная дифракционная решетка – компакт диск!
Нам понадобятся небольшая картонная коробочка, компакт диск, клей, непрозрачная трубочка для окуляра.
Вырежем ножницами кусочек компакт диска под размер коробочки:
Разметим коробочку так, что бы правильно установить окуляр. Из оптики мы знаем, что угол падения равен углу отражения. Но так мы увидим окошко, через которое будет проходить свет, а не дифракционные максимумы, поэтому правее от линии будущего окошка оставим место.
Затем закрыв коробочку подберем подходящее место для ввода света. Для этого будем аккуратно протыкать дырочку, и наблюдать в окуляр. Если в окуляре мы видим напрямую отраженный свет, то дырочку заклеиваем и протыкаем новую чуть дальше. И так до тех пор пока в окуляре не будет видно много цветных точек, выстроившихся вдоль линии. Затем прорежем оконце:
Установим на оконце световой нож из двух лезвий бритв – что бы в коробочку попадал максимально узкий пучек света – так мы будем видеть максимально четкую картину.
Если всё получилось – то мы увидим в окуляре разведенный спектр. Если спектр не непрерывный (например от ЛДС или газоразрядных ламп) то мы увидим набор линий. Каждая линия – монохроматическая составляющая. На фото самая верхняя линия на самом деле глубоко фиолетового цвета, просто фотоаппарат исказил цвет.
Вариант второй
Сделаем миниатюрный спектроскоп, работающий в проходящем свете. Для этого вырежем компакт диск как и в первом варианте.
Для исследования спектральных свойств (регистрации спектра) различных источников света применяются спектральные приборы — спектроскопы, спектрографы и спектрометры. Спектроскоп (англ. spectroscope) предназначен для визуального наблюдения спектров, спектрограф (англ. spectrograph) — для фотографирования спектров, спектрометр (англ. spectrometer) — для определения положения отдельных спектральных линий или регистрации спектра в виде кривой.
Вот как эти термины трактуются в «Словаре иностранных слов» , изданном в Москве в 1954 году:
Как же сделать спектроскоп своими руками?
Дифракционные решетки — естественные и искусственные
Одним из способов наблюдения спектрального состава света является использование дифракционной решетки, представляющей собой поверхность, на которую нанесено большое число регулярно (через шаг решетки $b$) расположенных штрихов/щелей/выступов. На дифракционной решетке наблюдается явление дифракции на щели (дифракция Фраунгофера) — отклонения от законов геометрической оптики.
Впервые дифракционную решетку применил Джеймс Грегори (James Gregory), использовавший в качестве решётки птичье перо. Он пропускал через перо солнечный свет и увидел его разложение на составлящие цвета. Также цвета крыльев многих бабочек обусловлены явлением дифракции.
Искусственную дифракционную решетку площадью 0,5 кв. дюйма впервые создал изобретатель из Филадельфии Дэвид Риттенхаус (David Rittenhouse) в 1875 году — из 50 натянутых волосков (шаг решетки составил 250 мкм), причем он смог наблюдать спектры шестого порядка.
Дэвид Риттенхаус
А вот как описаны проявления дифракции в быту в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:
На аукционе ebay продаются дифракционные голографические решетки с шагом 1, 2 и 1,88 мкм:
DVD как дифракционная решетка
Но дифракционную решетку можно сделать и самому из … DVD-диска!
Диск DVD+R (DVD+RW) состоит из двух слоев: оптического (2) и отражающего (1).
Я разделил их с помощью ножа:
В DVD-R-диске слои имеют четкую границу между ними и достаточно легко отделяются друг от друга, в отличие от CD-R-диска:
В качестве дифракционной решетки (англ. diffraction grating) можно использовать как оптический (на пропускание — прозрачная решетка, англ. transmission grating), так и отражающий (на отражение — отражательная решетка, англ. reflective grating) слои.
Постоянная такой решетки (шаг между штрихами) для DVD-диска составляет 0,74 мкм (для CD-диска — 1,6 мкм).
Я вырезал из оптического слоя диска DVD+R фрагмент, получив импровизированную прозрачную дифракционную решетку:
Наблюдать дифракцию можно, направив на этот фрагмент (3) луч (2) от лазерной указки(1). При этом на экране появляются не одно, а три пятна — максимума (4,5,6):
5 — пятно нулевого порядка;
6 — пятна первого порядка
При падении на решетку луча с длиной волны $lambda$ под углом $i$ к нормали решетки максимумы получаются под углами $theta$, определяемыми соотношением:
$k lambda = b (sin i + sin theta)$ , где $k$ — порядок спектра, $b$ — постоянная решетки (шаг между штрихами).
Для случая падения луча света под прямым углом формула преобразуется к виду:
$k lambda = b sin theta$, что для пятна первого порядка дает выражение $lambda = b sin theta$.
Вот как это выглядит в реальности (я использовал «зеленую» лазерную указку с длиной волны 532 нм):
На расстоянии в 43 см от решетки до экрана расстояние от центрального до крайнего пятна составляет 38,5 см, что соответствует углу 42°.
Проверка дает угол, равный 46°. Это практически совпадает с экспериментальным результатом!
Дифракционные пятна от излучения красного лазера удалены от центрального пятна на большее расстояние, что согласуется с вышеприведенной формулой (длина световой волны красного лазера больше, чем зеленого).
Приложив этот фрагмент дифракционной решетки вплотную к камере смартфона, я получил спектрограф:
Вот как выглядит на снимке камеры смартфона спектр излучения лампы дневного света:
Искривление линий спектра обусловлено кривизной бороздок на поверхности оптического слоя DVD-диска.
Вращая импровизированную дифракционную решетку, можно выбрать оптимальный вид и положение спектра.
Наблюдавшиеся мной спектры источников света
Вот так выглядят спектры различных источников, которые я получил с помощью вырезанного фрагмента оптического слоя DVD+R-диска:
спектр солнечного света
спектр, как и следовало ожидать, непрерывен во всей видимой области (от фиолетового до красного цветов):
спектр солнечного света, отраженного от Луны:
спектр пламени спички
непрерывный спектр
спектры ламп накаливания
спектр тоже непрерывен, как и спектр солнечного света:
спектры ламп дневного света (люминесцентных ламп)
лампа дневного света:
при вращении импровизированной дифракционной решетки спектр превращается в полоску, на которой выделяются две линии — в фиолетовой и зеленой области спектра:
это линии излучения ртути — фиолетовая с длиной волны 435,8 нм и зеленая с длиной волны 546,1 нм
спектры КЛЛ (компактных люминесцентных ламп)
спектр дискретен (отчетливо видны несколько повторяющихся контуров спирального корпуса лампы):
при повороте фрагмента оптического слоя и смартфона контура превращаются в полоски:
Колба изнутри покрыта люминофорами, которые под действием ультрафиолетового излучения от разряда в лампе излучают видимый свет (каждый люминофор — в своей полосе спектра, применяются обычно три или четыре люминофора).
Вот как выглядит спектр излучения КЛЛ с цветовой температурой 4000 K в крупном масштабе:
1 — синяя линия
2 — полоса свечения в синей области спектра
3 — голубая линия
4 — зеленая линия
5 — оранжевая линия
6 — красная линия
Сравнительная таблица спектров КЛЛ с различной цветовой температурой:
спектры светодиодов
спектр «белого» светодиода:
спектр светодиодной лампы:
Сравнительная таблица спектров светодиодных ламп с различной цветовой температурой:
спектр расположенных рядом на плате ноутбука индикаторных светодиодов белого и оранжевого цвета:
спектр неоновой лампы
спектры ламп уличных фонарей
Для уличного освещения применяются светильники с лампами:
ДРЛ — дуговая ртутная лампа с люминофорным покрытием («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «Л» — люминофорная) (ртутная лампа высокого давления, РЛВД) (англ. HPL-N, HQL) — излучает белый свет, требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)
ДРВ — дуговая ртутная лампа с вольфрамовой нитью внутри («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «В» — вольфрамовая), чем отличается от ДРЛ (наличие вольфрамовой нити приводит к возникновению бареттерного эффекта, что стабилизирует ток лампы) — излучает тепло-белый свет (цветопередача лучше, чем у ДРЛ)
Выглядят лампы ДРВ и ДРЛ вот так:
А вот вид фонаря с такой лампой:
В лампах ДРЛ и ДРВ разряд излучает зеленый и ультрафиолетовый свет, а люминофор, которым покрыта колба, излучает под действием ультрафиолета красный свет. Сочетание этих цветов дает белый цвет.
ДНаТ — дуговая натриевая трубчатая лампа («Д» — дуговая, «На» -натриевая, «Т» — трубчатая) (натриевая лампа высокого давления (НЛВД)) (англ. HPS) — излучает желтый свет (но в отличие от ДРЛ не имеет пика в красной и ультрафиолетовой областях спектра)
Выглядят лампы ДНаТ так:
Вот такая лампа смонтирована в одном из уличных фонарей:
Сейчас такие лампыы чаще всего используются для уличного освещения.
А вот как выглядит ее спектр:
Спектр этой лампы дискретный, с явным преобладанием красно-желто-зеленой области спектра
Вот так выглядит полученный мной спектр такой лампы в крупном масштабе:
1 — синяя линия
2 — синяя линия
3 — голубая линия около 470 нм
4 — голубая линия около 495 нм
5 — зеленая линия около 570 нм
6 — желтая линия с полосой поглощения около 595 нм
7 — красная линия (около 630 нм)
Полученная картина спектра обладает хорошей линейностью:
А вот спектры еще некоторых таких ламп:
Как видно, здесь наблюдается такая же структура спектра.
ДРИ — металогалогенная (МГЛ) лампа — («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «И» — с излучающими добавками), в ртутные пары добавляется галогенид металла — излучает холодно-белый свет (хорошая цветопередача, но существенный пик в синей области спектра), требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)
Выглядят лампы ДРИ так:
спектр искрового разряда
Вот как выглядит спектр искрового разряда в разряднике моей катушки Тесла:
Иногда можно увидеть и спектр второго порядка, например, для солнечного света:
Также интерес представляет прохождение света через полупрозрачную среду, например, цветной целлофан.
Конструкция DVD-спектроскопа
Для расщепления спектра света используют либо призму (в старых спектроскопах), либо дифракционную решетку (в новых).
Вот так выглядит конструкция спектроскопа, работающего на пропускание:
1 — корпус
2 — щеки щели
3 — щель
4 — прозрачная дифракционная решетка
5 — смотровое отверстие
А вот так устроен спектроскоп, работающий на отражение (англ. reflection spectroscope):
1 — корпус
2 — щеки щели
3 — щель
4 — отражающая дифракционная решетка
5 — смотровое отверстие
В качестве корпуса рекомендуется использовать почтовую коробку (среднего или малого размера), коробку из-под обуви, упаковка из-под овсянки.
Для щек щели рекомендуется использовать либо визитные карточки, либо половинки лезвия. Чем шире щель, тем более расплывчатым будет спектр, чем уже — тем меньше будет яркость спектра. Рекомендуется ширина 0,2 мм.
Для светоизоляции корпуса рекомендуется использовать алюминиевую фольгу или ленту.
На аукционе ebay продается вот такой Diffraction Grating Spectroscope Kit:
Перья птиц как дифракционные решетки
Перо птицы имеет настолько тонкую структуру, что может выступать в роли дифракционной решетки.
Структура птичьего пера показана в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:
s — стержень; a — бородки; st — бородочки
Переплетение бородочек и образует дифракционную решетку.
Перо №1
Я извлек перо из перьевой подушки.
Вот так выглядит структура этого перышка под моим микроскопом из веб-камеры (видны стержень, несущий опахало из бородок (лучей первого порядка) и бородочек (лучей второго порядка)):
Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:
На расстоянии в 60 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 1 см, что соответствует углу $theta$ 0,95°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = {lambda over {sin theta}}$ составляет 32 мкм.
Перо №2
Второе перо мы нашли в саду:
Вот структура пера под моим микроскопом из веб-камеры (1 — светлая область, 2 — темная область):
Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:
1 — пятно от луча лазера без дифракции;
2 — дифракционная картина
На расстоянии в 19 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 0,7 см, что соответствует углу $theta$ 2,1°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = {lambda over {sin theta}}$ составляет 15 мкм.
Радуга
Радуга — сложное оптическое явление, в котором проявляются эффекты как дисперcии, так и дифракции.
Часто наблюдаются основная (1) и вторичная (2) радуги:
Явление радуги объясняетcя совместным действием преломления и дифракции на беспорядочно расположенных шарообразных капельках воды.
Интересные ссылки
http://www.pl.euhou.net/docupload/files/Excersises/WorldAroundUs/Diffraction/Diffraction_on_bird_feather1.doc — описание опытов с дифракцией на птичьих перьях
http://astro.u-strasbg.fr/~koppen/spectro/mk4e.html — описание построения работающего на пропускание CD-спектроскопа
http://www.inpharmix.com/jps/CD_spectro.html — описание построения спектрографов из дисков и ПВХ-труб
журнал «Юный техник» №5 за 2011 год — описана конструкция спектроскопа, работающего на отражение
Продолжение следует
Задачи.
1.На дифракционную решетку с периодом с = 0,004 мм падает нормально монохроматический свет. При этом главному максимуму четвертого порядка соответствует отклонение от первоначального направления на угол a = 300. Определите длину волны света.
2.На дифракционную решетку падает нормально свет. При этом максимум второго порядка для линии l1 = 0,65 мкм соответствует углу a1 = 450. Найдите угол, соответствующий максимуму третьего порядка для линии l2 = 0,50 мкм.
3.Показать на рисунке, что точечный источник, помещенный в фокусе собирающей линзы, дает плоский волновой фронт.
4.Определите постоянную дифракционную решетки, если при освещении ее светом с
l = 656 нм второй максимум виден под углом 150 к нормам дифракционной решетки.
5.На щель шириной 2×10-6 м падает нормально монохроматический пучок света с
l = 5895 нм. Найдите углы, в направлении которых наблюдается минимум света.
Лабораторная работа №17
Определение длины волны излучения гелий-неонового лазера
с помощью дифракционной решетки.
Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку, на которой через равные промежутки a нанесены параллельные непрозрачные штрихи шириной b. Величина c=a+b называется периодом дифракционной решетки. При освещении решетки нормально падающим монохроматическим светом происходит дифракция. Вторичные когерентные волны, образующиеся в результате дифракции, распространяясь по всем направлениям, интерферируют, образуя дифракционную картину.
Известно, что главные дифракционные максимумы возникают при условии
(1)
где k = 0, 1, 2… — порядок главных максимумов.
Зная период решетки c и уголa , под которым виден максимум k -го порядка, можно определить длину волны падающего света
. (2)
Схема установки для определения длины волны лазера (рис.9) состоит из лазера ЛГ-50 (1), дифракционной решетки (2) и экрана для наблюдения дифракционной картины (3). Для того, чтобы определить длину волны лазера по формуле (2), необходимо знать период решетки c, порядок максимума k и угол a. Период дифракционной решетки обычно указывается на её оправе. Угол можно найти из формулы:
, (3)
где b — расстояние между решеткой и экраном; a — расстояние между максимумами k-ого и нулевого порядков.
Схема эксперимента:
Приборы и материалы: гелий-неоновый лазер, стандартная дифракционная решетка, экран, препарат высушенного мазка крови, измерительные линейки.
Основные формулы:
1. Длина волны лазерного излучения, определяемая по дифракционной картине с использованием максимума третьего порядка: 
2. Диаметр эритроцитов, определяемый по дифракционной картине с использованием максимума второго порядка: 
3. Ошибка оценки истинного значения длины волны лазерного излучения:
4. Ошибка оценки истинного значения размеров эритроцитов:
5. Исправленные среднеквадратичные отклонения среднего выборочного для величин а и б:
, 
с- период стандартной дифракционной решетки, l — длина волны, а и б – расстояние между требуемыми максимумами дифракционной картины и расстояние между экраном и дифракционной решеткой соответственно, d – диаметр эритроцитов, S – исправленное среднеквадратичное отклонение, Dl и Dd – ошибки оценки.
Черта над символом означает среднее значение величины.
Ход работы:
1. Установить лазер, дифракционную решетку и экран как показано на рис. 9.
2. Включить лазер и получить на экране четкую дифракционную картину с максимумами не менее четвертого порядка.
3. Измерить расстояние b между решеткой и экраном и расстояние a между максимумами третьего и нулевого порядков пять раз. Результаты измерений занести в таблицу 1.
4. Оценить длину волны газового лазера. Рассчитать погрешность оценки и результаты вычислений занести в таблицу 1:
Таблица 1
| Номер опыта | b, м | a, м | l±Dl, м |
Как сделать спектроскоп. Супер лайфхак для школьника. #olo
Дифракционная решетка
Урок 420. Дифракция света. Дифракционная решетка
Наш проект живет и развивается для тех, кто ищет ответы на свои вопросы и стремится не потеряться в бушующем море зачастую бесполезной информации. На этой странице мы рассказали (а точнее — показали 🙂 вам Дифракционная решетка как сделать в домашних условиях. Кроме этого, мы нашли и добавили для вас тысячи других видеороликов, способных ответить, кажется, на любой ваш вопрос. Однако, если на сайте все же не оказалось интересующей информации — напишите нам, мы подготовим ее для вас и добавим на наш сайт!
Если вам не сложно — оставьте, пожалуйста, свой отзыв, насколько полной и полезной была размещенная на нашем сайте информация о том, Дифракционная решетка как сделать в домашних условиях.