ساخت دستگاه طیف سنج

مقدمه

طیف سنج یا اسپکترومتر (spectrometer) دستگاهی است که برای اندازه‌گیری خصوصیات نور در قسمت خاصی از طیف الکترومغناطیسی به کار می‌رود. از این دستگاه به طور معمول برای تجزیه و تحلیل مواد استفاده می‌شود. طیف سنج‌ های نوری با توجه به عملکرد آن‌ها به سه گروه تقسیم می‌شوند:

1. طیف سنج‌ های تبدیل فوریه: در این نوع طیف سنج‌ ها از تداخل سنج مایکلسون برای اندازه گیری نحوه نوسان سیگنال تداخل هنگام حرکت یکی از آینه ها استفاده می‌شود. تابع تداخلی به صورت دیجیتالی پردازش می‌شود. به این صورت طیف مورد نظر به دست می‌آید. از این طیف سنج‌ ها بیشتر برای اندازه‌گیری طیف مادون قرمز استفاده می‌شود. طیف سنج‌ های تبدیل فوریه دارای وضوح طیفی بالایی هستند.
2. طیف سنج‌ های شامل تک رنگ ساز: در این اسپکترومترها از توری پراش چرخان استفاده می‌شود. این طیف سنج‌ها ساده‌تر هستند و نسبت به محیط حساسیت کمتری دارند. برای ساخت این دستگاه ها معمولا از چیدمان Czerny-Turner استفاده می‌شود (در ادامه این چیدمان شرح داده شده است).
3. اسپکترومتر بر مبنای آشکار ساز چند کاناله: در این طیف سنج المان متحرکی وجود ندارد. توری پراش ثابت است و طیف بر روی یک آشکارساز متمرکز می‌شود. معمولا از یک آشکار ساز CCD در این دستگاه استفاده می‌شود. طیف سنج‌ هایی که در این دسته قرار دارند از نظر حساسیت، وضوح طیفی، کاربرد، اندازه و قیمت تا حد زیادی متفاوت هستند.

برای ساخت یک طیف سنج باید بر روی نکاتی که در ادامه ذکر می‌کنیم متمرکز شویم.

1. وضوح طیفی اسپکترومتر باید کمتر از ۵ نانومتر باشد.
2. از اجزای متحرک استفاده نشود.
3. استفاده از دستگاه و نرم‌افزار باید آسان و کاربر پسند باشد.
4. نرم افزار ارائه شده باید در اکثر سیستم‌  عامل‌های اصلی قابل اجرا باشد.
5. به غیر از کالیبرلسیون اولیه نیازی به نگهداری بیشتر نداشته باشد. هر دستگاهی که ساخته می‌شود داده‌های کالیبراسیون را در حافظه دائمی خود ذخیره می‌کند. به این ترتیب دستگاه نیازی به کالیبراسیون مجدد ندارد.
6. منبع برق دستگاه باید از طریق کابل USB متصل به کامپیوتر تامین گردد.

اکنون که با کلیات ساخت طیف سنج آشنا شدید باید بررسی کنیم که اسپکترومتر از چه اجزایی تشکیل شده است؟

اجزای تشکیل دهنده اسپکترومتر

اسپکترومتر از سه جز اصلی تشکیل شده است که عبارت است از:

1. شکاف (Slit)
2. توری پراش
3. آشکارساز

اساس کار اسپکترومتر به این صورت است که نور از طریق شکاف وارد دستگاه می‌شود. سپس توسط المان‌های اپتیکی به سمت توری پراش هدایت می‌شود. توری نور را به طول‌موج‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌کند. در نهایت نور تجزیه شده به وسیله‌ آینه‌ها و لنزها بر روی آشکارساز متمرکز می‌شود. اکنون که با طرز کار و اجزای طیف سنج آشنا شدید به سراغ عملکرد هر یک از این اجزا می‌رویم.

شکاف

شکاف مقدار نور ورودی به دستگاه (شار فوتونی) و وضوح طیفی (resolution) را کنترل می‌کند. هر چه عرض اسلیت بیشتر شود، قدرت نوری برای تجزیه و تحلیل افزایش می‌یابد. هم چنین زمان مورد نیاز برای طیف‌گیری کاهش می‌یابد. اما نکته‌ای که اهمیت پیدا می‌کند این است که رزولوشن دستگاه با افزایش عرض شکاف کمتر می‌شود. از طرفی هرچه عرض شکاف کمتر شود زمان طیف‌گیری طولانی‌تر می‌شود. بنابراین عرض شکاف باید به صورت بهینه انتخاب شود. به عنوان مثال طیف جذب هولمیوم اکسید (holmium oxide) را در نظر بگیرید. با تغییر عرض شکاف رزولوشن طیف نیز تغییر می‌کند. این روند در شکل ۲ نشان داده شده است.

شکاف‌هایی که برای اسپکترومتر به کار برده می‌شوند بسیار متنوع‌اند. عرض شکاف‌ها از ۵ میکرومتر تا حداکثر ۸۰۰ میکرومتر و ارتفاع آن بین ۱ تا ۲ میلی‌متر متغیر است (ارتفاع استاندارد ۱ میلی‌متر گزارش شده است). رایج‌ترین شکاف‌هایی که در ساختمان اسپکترومتر به کار می‌روند دارای عرض‌هایی به اندازه‌ ۱۰، ۲۵، ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ میکرومتر هستند.

این المان باید به طور دقیقی در مقابل مسیر نوری قرار بگیرد تا نور به طور کامل از آن عبور کند. در غیر این صورت مسیری که نور طی می‌کند دچار خطا می‌شود و نویز دستگاه افزایش می‌یابد. به همین دلیل بعد از نصب شکاف تعویض آن فقط باید توسط کارشناسان صورت گیرد تا در نهایت کالیبراسیون دستگاه دچار مشکل نشود.

توری پراش

توری پراش یکی دیگر از اجزای مهمی است که در ساخت اسپکترومتر به کار می‌رود. محدوده طول‌موجی و رزولوشن نوری توسط این المان تعیین می‌شود. توری نور را به طول‌‌موج‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌کند. در واقع هر طول‌موج در یک زاویه خاصی پراکنده می‌شود.

دو نوع توری پراش وجود دارد: توری هولوگرافی (holographic grating) و توری ruled. در توری‌های ruled شیارهای موازی به صورت مکانیکی بر روی یک بستری ایجاد می‌شود. سپس این بستر را با موادی که بسیار منعکس کننده است (مانند طلا) لایه نشانی می‌کنند. توری‌های هولوگرافی در اثر تداخل دو پرتو لیزری در یک ماده پاسخ دهنده (responsive material) به وجود می‌آیند. در این توری‌ها ضریب شکست ماده به طور دوره‌ای تغییر می‌کند. فرآیند تولید توری‌های هولوگرافی متفاوت است. اما رایج‌تری روش تولید این توری‌ها این است که یک بستر شیشه‌ای را در معرض تابش پرتوهای نور فرابنفش قرار می‌دهند و تغییرات ضریب شکست از این روش به دست می‌آید. در توری‌های ruled شیارها موجب تفکیک طول‌موج‌ها می‌شوند اما در توری‌های هولوگرافی تغییر سینوسی ضریب شکست طول‌موج‌ها را از هم جدا می‌کند. در توری‌های هولوگرافی با توجه به اینکه تغییرات سینوسی ضریب شکست با فاصله بسیار کم از هم قرار گرفته‌اند، پراکندگی زاویه‌ای بسیار بالاتر از توری‌های ruled است. هم چنین از آن‌ها می‌توان در سطوح مقعر نیز استفاده کرد. اما باید به این نکته توجه داشت که توری‌‌های هولوگرافی در ناحیه مادون قرمز جذب دارند و گران‌تر از توری‌‌های نوع دیگر هستند. از شباهت‌های این دو توری می‌توان به اصول کار این ابزارها اشاره کرد. هر دو بر اساس پدیده پراش کار می‌کنند.

همان طور که پیش‌تر نیز گفتیم توری محدوده طول‌موجی و رزولوشن نوری را تعیین می‌کند. اما به نظر شما توری چگونه می‌توان این دو ویژگی را تعیین کند؟ پاسخ را می‌توان به فرکانس شیار ارتباط داد.

فرکانس شیارها

مقدار پراکندگی با توجه به تعداد شیارها در هر میلی‌متر تعیین می‌شود که با عنوان فرکانس شیار یا چگالی شیار شناخته می‌شود. فرکانس شیار بازه‌ای که اسپکترومتر از لحاظ طول‌موجی پوشش می‌دهد را مشخص می‌کند. هم چنین وضوح طیفی توسط فرکانس شیار تعیین می‌شود. محدوده طول‌موجی که اسپکترومتر پوشش می‌دهد با زاویه پراکندگی توری رابطه عکس دارد. به بیانی دیگر هرچه فرکانس شیار بیشتر باشد زاویه پراکندگی نیز بیشتر می‌شود. پس محدوده طول‌موجی که اسپکترومتر پوشش می‌دهد کاهش می‌یابد. اما از طرفی دیگر رزولوشن سیستم بیشتر می‌شود. مثلا یک توری با فرکانس شیار ۹۰۰g/mm (۹۰۰ شیار در هر میلی‌متر) را در نظر بگیرید. محدوده طول‌موجی که دستگاه قادر به آشکار سازی است در حدود ۳۷۰ نانومتر و رزولوشن آن ۰.۵ نانومتر است. حالا اگر فرکانس شیار به ۶۰۰g/mm کاهش یابد، در این صورت محدوده طول‌موجی در ۷۰۰ نانومتر و رزولوشن ۱ نانومتر می‌شود. همان طور که مشاهده می‌کنید بازه طول موجی افزایش یافته اما میزان رزولوشن کاهش پیدا کرده است. این یک اصل است که در تمامی اسپکترومترها اتفاق می‌افتد.

آشکار ساز

در بخش‌های قبلی در مورد اهمیت شکاف و توری پراش در اسپکترومتر بحث کردیم. المان نهایی در سیستم نوری هر طیف سنجی، آشکار ساز است. آشکارساز نوری، دستگاهی است که انرژی نوری را جذب کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند یا در حالتی دیگر جریان نوری به صورت بار ذخیره شده و به مدار بازخوانی منتقل می‌شود (مانند CCDها). جریان الکتریکی تولید شده یا بار ذخیره شده با توان نور تابشی به آشکارساز متناسب است.

نوع آشکار ساز مورد استفاده در اسپکترومتر بستگی به روشی دارد که برای تجزیه و تحلیل طول‌موج استفاده می‌شود. در ادامه به این روش‌ها اشاره شده است.

روش توری چرخان: در این روش آشکارساز نوری با مساحت کوچک به کار می‌رود که معمولا به عنوان آشکار ساز نقطه‌ای (point detector) شناخته می‌شود. در این حالت توری پراش متحرک است و می‌چرخد و هر بار طول موج‌ خاصی بر روی آشکار ساز متمرکز می‌شود. در حقیقت عناصر پردازش بر اساس زاویه توری پراش، طول‌موج را به سیگنال الکتریکی اختصاص می‌دهند.

روش آشکار ساز آرایه‌ای: در این روش آرایه‌های منظمی از آشکارسازهای نوری کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. در این حالت یک آرایه دارای ردیفی از آشکارسازهای نوری است. به طوری که هر آشکارساز محدوده کمی از طول‌موج‌های متمرکز شده بر روی این  آرایه را تشخیص می‌دهد. CCD مثال مناسبی از این نوع آشکارسازها است.

روش DLP-based: روش DLP-based رویکرد جدیدی است که برای تجزیه و تحلیل طول‌موج به کار برده می‌شود. این روش عملکرد بالاتری نسبت به روش‌های سنتی را ارائه می‌دهد.

در حقیقت DLP مخفف digital light projection است. عملکرد این روش جدید این است که از digital micromirror device (DMD) یا میکروآینه دیجیتالی به جای آشکارساز آرایه‌ای یا اسکنی استفاده می‌شود. DMD آرایه‌ای از آینه‌ها است که با استفاده از فناوری MEMS ساخته می‌شوند. در این تکنولوژی شیب هر آینه می‌تواند مستقیما نور را به سمت آشکارساز هدایت کند یا این که طوری تنظیم شود که نور با آشکارساز برخورد نکند. این آینه‌ها از طریق یک صفحه کنترل DLP به صورت الکترونیکی کنترل می‌شوند. این روش مشابه روش آشکارساز آرایه‌ای است. با این تفاوت که به جای آشکارساز از DMD استفاده شده است. به این صورت که نور توسط توری تجزیه می‌شود. سپس نور تجزیه شده توسط لنز روی DMD متمرکز می‌گردد. با تغییر شیب هر یک از این آینه‌ها (که طول‌موج خاصی را منعکس می‌کند) طول‌موج خاصی یه سمت آشکارساز هدایت می‌شود. در این سیستم از آشکارسازهای نقطه‌ای برای تشخیص طول موج‌ها استفاده می‌شود. می‌توان از آشکار ساز نقطه‌ای با مساحت بیشتر استفاده کرد. زیرا ابعاد آینه‌ها مسئولیت تفکیک طول‌موج‌‌ها را بر عهده دارند. این روش رویکرد بسیار جدیدی است که موجب افزایش رزولوشن و سرعت آنالیز می‌شود.

در بخش قبل روش‌هایی را که به وسیله‌ آن‌ها می‌توانستیم طول‌موج را شناسایی کنیم، بررسی کردیم. اما موضوع اصلی نوع آشکارسازهایی است که به کمک آن‌ها می‌توانیم این طول‌موج‌ها (سیگنال‌‌های نوری) را به سیگنال‌‌های الکتریکی تبدیل کنیم. در حالت ایده‌آل یک آشکارساز باید نویز کم، حساسیت بالا و پاسخ خطی در محدوده وسیع داشته باشد. در اسپکترومترها، به طور معمول از آشکارساز آرایه فوتودیودی و آشکارسازهای CCD استفاده می‌شود. این موضوع به طور کامل در مطلب آشکارساز توصیف شده است. بنابراین در بخش بعدی به این بحث می‌پردازیم که چگونه نور پس از پراکند‌گی به سمت آشکارساز هدایت می‌شود؟ با توجه به این که اکثر اسپکترومترها بر اساس آشکارساز CCD ساخته می‌شوند، ما نیز بخش بعدی را با به کار بردن CCD توضیح می‌دهیم.

نحوه متمرکز شدن نور پراکنده شده بر روی آشکار ساز CCD

نور پس از برخورد با توری پراکنده می‌شود. نور پراکنده شده را به سه روش می‌توان بر روی آشکارساز متمرکز کرد. در روش اول یک لنز نور را به سمت آشکار ساز هدایت می‌کند. این سیستم در شکل ۵ نشان داده شده است. اجزای تشکیل دهنده نور با استفاده از توری در زاویه‌های مختلفی جدا می‌شوند (جدایی زاویه‌ای). لنز این جدایی زاویه‌ای را به جدایی فضایی تبدیل می‌کند. اما این کار مستلزم لنزی با قطری برابر با طول CCD است. جدایی فضایی طول‌موج‌ها با فاصله کانونی لنز متناسب است. به این روش نور تجزیه شده بر روی آشکار ساز متمرکز می‌شود. در روش دوم بعد از تجزیه نور، طول‌موج‌ها مستقیما با آشکار ساز برخورد می‌‌کنند. در این صورت به لنز دوم نیازی نیست. لنز اول چند میلی‌متر از شکاف دور می‌شود تا یک تصویر واقعی در فاصله دلخواه از توری ایجاد شود (شکل ب). این لنز طوری تنظیم می‌شود که طول‌موج‌های تفکیک شده در روی آشکار ساز همگرا می‌شوند. در حقیقت در این روش آشکار ساز در نقطه کانونی لنز واقع می‌شود. اما تصویر به دست آمده از این روش کمی تار است. زیرا اختلاف زاویه‌ای طول‌موج‌های تفکیک شده غیر یکنواخت است. در روش سوم از یک آینه مقعر یا استوانه‌ای برای متمرکز کردن نور تجزیه شده استفاده می‌شود. در این حالت نیازی نیست که آشکارساز در نقطه کانونی لنز قرار بگیرد. در حقیقت آشکار ساز در نزدیکی آینه و در فاصله کانونی آن واقع می‌شود. در این حالت حساسیت دستگاه افزایش می‌یابد. بنابراین برای ساخت اسپکترومتر از روش سوم استفاده می‌شود.

همان طور که در مباحث قبلی گفته شد نور از طریق اسلیت وارد اسپکترومتر می‌شود. سپس با توری برخورد کرده و به طول‌موج‌های تشکیل دهنده‌اش تجزیه می‌شود. نور تجزیه شده در مرحله آخر به وسیله آشکارساز شناسایی می‌شود. کلیات کار اسپکترومتر این گونه است. اما سوالی که در این جا مطرح می‌شود این است که نور چگونه به سمت هریک از این اجزا هدایت می‌شود. در بخش بعدی به بررسی این سوال خواهیم پرداخت.

چیدمان اپتیکی

در اصل نور به وسیله المان‌های اپتیکی شامل آینه‌ها و لنزها بین این اجزا سازنده اسپکترومتر حرکت می‌کند. اما به این نکته توجه داشته باشید که نحوه قرار گیری این المان‌ها نیز حائز اهمیت است. سه نوع از متداول‌ترین این چیدمان‌ها عبارت ‌اند از: چیدمان Czerny-Turner crossed، unfolded Czerny-Turner  و طیف نگاری هولوگرافی مقعر که به ترتیب در شکل‌‌های  6، ۷ و ۸ نشان داده شده است. البته در ادامه هر یک از این چیدمان‌ها را شرح داده‌ایم.

Czerny-Turner

این نوع پیکربندی به دو دسته crossed و unfolded تقسیم می‌شود. چیدمان Czerny-Turner crossed شامل دو آینه مقعر و یک توری پراش است (شکل ۶). فاصله کانونی آینه ۱ به گونه‌ای انتخاب می‌شود که نور تابشی از شکاف را جمع کرده و آن را به سمت توری پراش هدایت کند. سپس نور توسط توری پراکنده شده و به وسیله آینه ۲ روی آشکار ساز متمرکز می‌شود. پیکربندی Czerny-Turner crossed یک طراحی انعطاف پذیر و فشرده است. در این سیستم‌ها میزان نورهای سرگردان (stray light) تا حدی زیاد است. اما با به کار بردن تکنیک‌های خاصی می‌توان نورهای سرگردان و نویز را کاهش داد.

در چیدمان unfolded Czerny-Turner از یک آینه تخت و یک آینه مقعر استفاده می‌شود. این سیستم همان طور که در شکل ۷ نشان داده شده است فشرده نیست. همچنین روشی ساده و مقرون به صرفه است. در این پیکربندی میزان نورهای سرگردان کاهش می‌یابد. اما برای کابردهای ناحیه UV مناسب نیست.

طیف نگاری هولوگرافی مقعر

سومین چیدمان برای اسپکترومتر، استفاده از توری‌های هولوگرافی مقعر (Concave Holographic Grating (CHG)) است. در این توری مقعر هم نور روی آشکار ساز متمرکز می‌شود و هم پرتو تجزیه می‌شود. که همین منجر به کاهش المان نوری می‌شود. در این حالت بازده (efficiency) اسپکترومتر افزایش می‌یابد. توری هولوگرافی در مقایسه با توری ruled بیش از ۱۰ برابر نورهای سرگردان را کاهش می‌دهد.

جمع بندی

در این مقاله به طور مفصل اجزای اسپکترومتر و عملکرد آن‌ها را بررسی کردیم. گفتیم که طیف سنج از سه المان اصلی یعنی شکاف، توری پراش و آشکارساز تشکیل شده است. وظیفه هر یک از این المان‌ها را شرح دادیم. همچنین به این نکته پرداختیم که سیستم چینش اپتیکی اسپکترومتر نیز یکی از مواردی است که در ساخت این دستگاه باید به آن توجه کرد.

منابع

1. https://zaya.io/n39ro
2. https://zaya.io/5xkb6
3. https://zaya.io/hzuie
4. https://zaya.io/2f6hg
5. https://zaya.io/zkdkk