Т. Расмуссен, Ph.D.(Интегральная оптика), Ibsen Photonics, www.ibsen.com, Датский технический университет (DTU), Копенгаген, Дания

Cочетание преимуществ и конкурентоспособной цены пропускающих дифракционных решеток привело к росту потребительского интереса к компактным спектрометрам на их основе. В статье представлены два альтернативных проекта компактных спектрометров, базирующихся на пропускающих решетках.

Введение

За последние 15 лет заметно увеличилась стоимость компактных недорогих спектрометров. Объем рынка таких изделий исчисляется уже сотнями миллионов долларов, а область их применения варьируется от задач анализа содержания гемоглобина в крови [1] до точного определения цвета [2] текстиля и сортировки светодиодов на крупных заводах по производству полупроводников.

Большинство таких компактных спектрометров основывается на оптической схеме – конфигурации Черни-Тернера [3] – с отражающей дифракционной решеткой в качестве диспергирующего элемента, разлагающего падающую волну на дифракционные максимумы, регистрируемые детектором в виде линейной матрицы. Успех использования этой оптической схемы основан на следующих фактах: во‑первых, конфигурация обеспечивает компактную траекторию пучка без перекрытия лучей; во‑вторых, отражающая решетка может быть изготовлена серийно, то есть с относительно низкими затратами.

В статье представлены два альтернативных проекта – компактные спектрометры, базирующиеся на пропускающих, а не на отражающих решетках. Это объясняется очевидными преимуществами геометрических параметров прибора на основе пропускающих решеток:

• конструкция спектрометра [4] обеспечивает легкий доступ зондирующего излучения к плоскости детектора, и тем самым обеспечивает большую гибкость для ОЕМ-интеграторов;
• более высокая пропускная способность обеспечивает высокую чувствительность, более короткое время обработки интегрального сигнала, большую скорость сканирования спектра и/или более низкое энергопотребление источником света.

Справедливости ради следует отметить, что производство высококачественных пропускающих решеток традиционно дорого, и это, вероятно, одна из ключевых причин, по которой они, действительно, не рассматривались для использования в конструкциях компактных спектрометров. Однако недавние достижения в технологии изготовления пропускающих решеток [5], например, используемые компанией “Ibsen Photonics”, привели к тому, что объемы и цены продаж таких решеток стали сравнимы с ценами решеток, изготовленных голографическим способом, на плавленом кварце и отражательных решеток.

Таким образом, сочетание привлекательных преимуществ и конкурентоспособной цены привело к возобновлению интереса к компактным спектрометрам на основе пропускающих решеток.

Конфигурации спектрометров

В состав любого спектрометра входят три основных оптических узла:

• коллимирующая оптика на входе;
• дифракционная решетка;
• фокусирующая оптика, собирающая волны различных длин электромагнитного спектра и направляющая их на разные пиксели детекторной матрицы.

Эти компоненты входят и в кросскорреляционный спектрометр Черни-Тернера (ЧТ, англ. Crossed Czerny-Turner – CCT), и спектрометр, созданный на основе пропускающей решетки [6] (СОПР, англ. Transmission Grating based Spectrometer – TGS). Для СОПР (TGS) мы рассмотрим две основные конструкции, которые несколько отличаются друг от друга своими характеристиками: один, построенный по схеме линза-решетка-линза (ЛРЛ, англ. Lens-Grating-Lens – LGL), в ней используются две линзы и решетка, и построенный по схеме зеркало-решетка-зеркало (ЗРЗ, англ. Mirror-GratingMirror – MGM), в которой используются два зеркала и решетка.

На рис.1 показаны компоновки ЧТ-, ЛРЛ- и ЗРЗ-спектрометров, а также схематические траектории луча.

Краткое сравнение спектрометров

Прежде чем перейти к сравнению спектрофотометров, построенных на основе отражательных и пропускающих решетках, следует упомянуть о некоторых важных конструкторских соображениях при проектировании. Основными параметрами, которые необходимо учитывать при рассчете (оптической части) спектрометра, являются:

• диапазон длин волн
• разрешение
• отношение сигнал/шум и уровень рассеянного света
• требования к динамическому диапазону
• требования к линейности
• силовая связь в спектрометре (оптический фактор)
• физический размер спектрометра

Спектрометр целиком не может быть оптимизирован по всем параметрам, поэтому важно сравнивать только те спектрометры, которые разработаны для одной цели использования.

В качестве примера рассмотрим, почему при проектировании спектрометра два параметра – высокое спектральное разрешение и высокая оптическая сила (оптический фактор) – пути достижения их максимального значения противоречат друг другу. Оптическая сила – параметр, определяющий сходимость светового пучка. Он является мерой того, сколько света может быть использовано в спектрометре, и определяется площадью входной щели, умноженной на квадрат числовой апертуры входной линзы.

Разрешение спектрометра определяется полной шириной спектрального пика монохроматического света, измеренной на высоте одной второй от максимума его интенсивности (ПШПМ, англ. Full Width Half Maximum – FWHM) [7]. Минимально достижимая разрешающая способность спектрометра эквивалентна размеру пятна на детекторе от монохроматического точечного источника, расположенного на входе спектрометра. Такой минимальный размер пятна теоретически определяется размером пятна, ограниченного дифракционным пределом. Однако в большинстве компактных спектрометров минимальный размер пятна определяется аберрациями внутренних оптических элементов спектрометра (линзы/зеркала и решетка). Поэтому, чтобы получить очень хорошее разрешение и максимально снизить аберрации, спектрометр должен быть спроектирован таким образом, чтобы траектория луча проходила в параксиальной области, то есть была расположена ближе к оси. Но это означает, что апертурный угол спектрометра (а вслед за ним и числовая апертура) будет очень мал, и будет мала входная щель, через которую должен пройти падающий пучок. И низкая числовая апертура, и небольшая щель означают, что в спектрометре будет использована только часть входного света, то есть прибор будет обладать низкой оптической силой (рис.2).

Теперь сравним спектрометры с одинаковой оптической силой (оптическим фактором), чтобы обеспечить сравнение аналогичных конфигураций. Пусть у них бесконечно малая ширина щели и числовая апертура NA = 0,11.

Сравнение конфигураций спектрометров

Сравнение спектрометра Черни-Тернера с конфигурациями двух спектрометров на основе пропускающих решеток

В таблице дано приблизительное сравнение общих характеристик спектрометров трех базовых оптических схем с точки зрения разрешения, пропускной способности и гибкости детектора. Таблица была составлена с использованием данных спектрометров производства “Ibsen”, например спектрометров серии ROCK VIS, а также данных таких спектрометров, как, например, Ocean Optics USB4000 и Avantes Avaspec 2048. Как мы видим, все три платформы обеспечивают одинаковое разрешение относительно охватываемого диапазона длин волн. Это является следствием того, что размеры пучков относительно оптических компонентов примерно одинаковы во всех компактных спектрометрах, и поэтому аберрации (определяющие минимальное разрешение) также примерно одинаковы.

В таблице четко показано, что платформы ЛРЛ и ЗРЗ приводят к наивысшей пропускной способности, что подробнее будет описано в следующем разделе.

Выбор между платформами ЛРЛ и ЗРЗ в основном зависит от следующих соображений. Если при измерении стоит задача собрать как можно больше мощности от образца (играет роль высокий оптический фактор), не достигая высокого разрешения, то следует рассмотреть возможность использования спектрометра с высокой ЧА. Для этого лучше всего подходит конфигурации ЛРЛ, так как диаметр пучка и оптических элементов можно легко расширить без риска получить перекрытин лучей. С другой стороны, если требуется достичь сверхвысокого разрешения, а сбор мощности менее важен исследователю, то лучшим вариантом может оказаться конфигурация ЗРЗ, потому что зеркала дешевле, чем объективы. Наконец, в УФ-диапазоне платформа ЗРЗ может стать более предпочтительной, чем ЛРЛ, так как стекло УФ-класса стоит много дороже, чем зеркала для того же диапазона.

Оптическая пропускная способность

Основным преимуществом спектрометров на основе пропускающих решеток является более высокая пропускная способность [8] из-за того, что пропускающие решетки обычно обеспечивают более высокую дифракционную эффективность, чем отражательные решетки. На рис.3 дано сравнение традиционно используемых коммерческих дифракционных решеток для видимого диапазона (400–800 нм). Как видно, голографическая пропускающая решетка из плавленого кварца обеспечивает на 50–100% больше абсолютную пропускную способность в данном диапазоне длин волн, чем отражающие решетки. Это различие – проявление нескольких факторов.

Отражающие решетки имеют металлическое покрытие с отражательной способностью до 90%. В отличие от них, пропускающие решетки обычно вытравливаются непосредственно в кварцевой подложке и имеют противоотражающее покрытие на противоположной решетке поверхности. Таким образом, из-за отсутствия металлического покрытия внутреннее пропускание составляет почти 100%, а противоотражающее покрытие может обеспечить передачу на детектор более 98% интенсивности падающего пучка.

Кроме того, пропускающие решетки содержат возможность задавать больше конструктивных параметров, чем отражающие решетки. Форма кривизны пропускающей решетки может быть оптимизирована как на этапе ее изготовления, так и при травлении по глубине травления (рис.4а). Поэтому пропускающая решетка может быть оптимизирована с большей эффективностью в широком диапазоне длин волн. Для сравнения, отражающие светящиеся решетки имеют только один конструкционный параметр – угол блеска (рис.4b). Профиль линии решетки определяется углом блеска и плотностью линий, и поэтому любая оптимизированная по углу блеска дифракционная решетка будет иметь почти такую же дифракционную эффективность, как показано на рис.4b). Естественно, что максимальная эффективность достигается на длине волны блеска (длина волны, на которой решетка была оптимизирована), но эффективность падает довольно быстро, особенно на коротковолновой хвостовой части импульса.

Гибкость размеров детектора

Из схематических чертежей трех спектрометрических платформ на рис.1 совершенно четко видно, что развернутая платформа ЛРЛ обеспечивает лучшую гибкость при замене детектора, поскольку детектор отделен от остальной части оптических компонентов и траекторий луча. Это также относится к другим компонентам, таким как оптические фильтры и апертуры, которые намного легче вписываются в платформу ЛРЛ, чем ЧТ и ЗРЗ.

Температурная стабильность

Платформа СОПР использует пропускающую решетку, выполненную из чистого плавленого диоксида кремния и, как таковую, пригодную для использования в очень широком температурном диапазоне. Кроме того, плавленый диоксид кремния имеет очень низкий коэффициент теплового расширения, и поэтому спектрометр на основе такой решетки обладает чрезвычайно высокой термической стабильностью.

Примеры использования

В данном разделе описываются некоторые примеры использования спектрометра с пропускающей решеткой, когда его важные преимущества могут исполять важную роль. Эти примеры не исчерпывают все существующие возможности конкретного применения.

Увеличение времени автономной работы портативных спектрометров

Аккумуляторные спектрометры с батарейным питанием становятся весьма популярными в различных конфигурациях, таких как быстрая проверка цвета текстиля или идентификация химических веществ в фармацевтике и индустрии безопасности, с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния. Естественно, срок службы батареи – один из ключевых параметров для таких устройств, который определяет потребление энергии. Внедряя систему ЛРЛ с числовой апертурой NA = 0,22, и используя пропускающую решетку из плавленого кварца, легко получить пропускную способность, в четыре раза большую чем при использовании традиционных рыночных ЧТ-спектрометров *. Такая большая чувствительность может использоваться для снижения питания источников света в системе энергопотребления.

Повышение производительности для поточной спектроскопии процесса

Во многих отраслях промышленности спектрометры используют для контроля качества/процесса в производстве. Одним из примеров является светодиодная промышленность, где светодиоды тестируются на спектральные характеристики излучения на уровне пластины. Очевидно, существует необходимость, чтобы такие процессы контроля проводили как можно с меньшим временем. Для спектрометра это означает режим работы с коротким временем интегрирования сигнала от массива детекторов. Массивы детекторов обеспечивают время интегрирования до 1 мкс, но в большинстве случаев детектор за такой короткий период времени не соберет ничего, кроме шума, то есть собранного света не будет достаточно для измерения сигнала. Однако при использовании высоконадежного спектрометра с высокой пропускной способностью время интегрирования может быть сокращено в 10–20 раз по сравнению с традиционными спектрометрами.

Выводы

Рассмотрены два оригинальных компактных спектрометрических проекта на основе пропускающих дифракционных решеток, а также описаны различные преимущества, которые такие спектрометры имеют по сравнению с традиционными спектрометрами на основе отражательной решетки.

Как правило, спектроскопы на основе пропускающих решеток (СОПР) следует рассматривать в приложениях и приборах для спектроскопии, где удовлетворения требует только одно или несколько из нижеперечисленных условий:

• низкий уровень освещенности;
• короткое время интегрирования/быстрое спектральное сканирование;
• доступ к детектору для интеграции с OEM;
• высокая термическая стабильность.

Благодаря последним разработкам в области производства решетки, цены на компактные спектрометры, базирующиеся как на пропускающей решетке, так и на отражательной решетке, находятся в одном диапазоне. Таким образом, выбор платформы спектрометра действительно может быть сделан на основе требований конкретного технического запроса (рис.5). Спектрометры компании Ibsen Photonics отвечают запросам огромного корпуса экспертов, промышленных специалистов, метрологов и исследователей. Компания “ОЭС Спецпоставка” совместно с НЦВО “Фотоника” представляет весь спектр продуктов Ibsen Photonics на территории Российской Федерации и предлагает наиболее выгодные условия сотрудничества, полную техническую поддержку, а также поставку образцов. Получить дополнительную информацию можно на сайте производителя – компании Ibsen Photonics (www.ibsen. com) – или обратившись в компанию ОЭС Спецпоставка (www.oessp.ru). Оптимальный выбор новой спектроскопической платформы вполне может касаться спектрометров на основе пропускающей решетки.

Литература

1. Liu, H. et al. Influence of blood vessels on the measurement of hemoglobin oxygenation as determined by time-resolved reflectance spectroscopy. –Medical physics, 1995, v.22, № 8, p.1209–1217.
2. Branchini, Bruce R. et al. An alternative mechanism of bioluminescence color determination in firefly luciferase. – Biochemistry, 2004, v.43, № 23, p.7255–7262.
3. Austin, Dane R., Tobias Witting, and Ian A. Walmsley. Broadband astigmatism-free Czerny-Turner imaging spectrometer using spherical mirrors. – Applied optics, 2009, v.48,.№ 19, p.3846–3853.
4. Neumann W. Fundamentals of Dispersive Optical Spectroscopy Systems. – SPIE, PM242, 2014.
5. Hansen, Th. Rasmussen, M. Rasmussen, Poul Jespersen, O. Jespersen, N. Rasmussen, B. Rose. How to Design a Miniature Raman Spectrometer. – 2015.
6. Redding, Brandon et al. Compact spectrometer based on a disordered photonic chip. – Nature Photonics, 2013, v.7, № 9, p.746.
7. K. Baldry et al. – Publ. Astron. Soc. Pac., 2004, v.116, p.403–414.
8. Th. Rasmussen. – Overview of High-Efficiency Transmission Gratings for Molecular Spectroscopy. – Spectroscopy, 2014, v.29, № 4, p.32–39.

* Примечание автора: получено в результате прямого сравнения ROCK VIS RSV-300 и Ocean Optics USB2000