وظيفة مطياف الألياف الضوئية

تستخدم مطيافات الألياف الضوئية عادةً الألياف الضوئية كوصلة إشارة، حيث يتم توصيلها ضوئيًا بالمطياف لإجراء التحليل الطيفي. وبفضل سهولة استخدام الألياف الضوئية، يتمتع المستخدمون بمرونة كبيرة في بناء نظام لاكتساب الطيف.

تتمثل ميزة مطياف الألياف الضوئية في مرونة نظام القياس وقابليته للتخصيص.مطياف الألياف الضوئيةيتميز جهاز MUT في ألمانيا بسرعة فائقة تسمح باستخدامه في التحليل الفوري. وبفضل استخدام أجهزة الكشف العالمية منخفضة التكلفة، انخفضت تكلفة المطياف، وبالتالي انخفضت تكلفة نظام القياس بأكمله.

يتكون التكوين الأساسي لمطياف الألياف الضوئية من محزز حيود، وشق، وكاشف. يجب تحديد معايير هذه المكونات عند شراء المطياف. يعتمد أداء المطياف على التركيب الدقيق ومعايرة هذه المكونات، وبعد معايرة مطياف الألياف الضوئية، لا يمكن إجراء أي تغييرات على هذه الملحقات من حيث المبدأ.

مقدمة عن الوظيفة

شبكة

يعتمد اختيار المحزز على النطاق الطيفي ومتطلبات الدقة. بالنسبة لمطيافات الألياف الضوئية، يتراوح النطاق الطيفي عادةً بين 200 نانومتر و2500 نانومتر. ونظرًا لمتطلبات الدقة العالية نسبيًا، يصعب الحصول على نطاق طيفي واسع؛ وفي الوقت نفسه، كلما زادت متطلبات الدقة، قلّ التدفق الضوئي. ولتلبية متطلبات الدقة المنخفضة والنطاق الطيفي الأوسع، يُعدّ المحزز ذو 300 خط/مم الخيار الأمثل. أما إذا كانت هناك حاجة إلى دقة طيفية عالية نسبيًا، فيمكن تحقيق ذلك باختيار محزز ذي 3600 خط/مم، أو باختيار كاشف ذي دقة بكسل أعلى.

شق

يمكن للفتحة الأضيق تحسين الدقة، لكن تدفق الضوء يكون أقل؛ في المقابل، يمكن للفتحات الأوسع زيادة الحساسية، ولكن على حساب الدقة. يتم اختيار عرض الفتحة المناسب وفقًا لمتطلبات التطبيق المختلفة لتحسين نتيجة الاختبار الإجمالية.

مسبار

يُحدد الكاشف، إلى حدٍ ما، دقة وحساسية مطياف الألياف الضوئية. فالمنطقة الحساسة للضوء على الكاشف محدودةٌ من حيث المبدأ، إذ تُقسّم إلى العديد من البكسلات الصغيرة للحصول على دقة عالية، أو إلى عدد أقل من البكسلات الأكبر حجمًا للحصول على حساسية عالية. وبشكل عام، تتميز حساسية كاشف CCD بأنها أفضل، مما يسمح بالحصول على دقة أفضل دون التضحية بالحساسية إلى حدٍ ما. ونظرًا للحساسية العالية والضوضاء الحرارية المنخفضة لكاشف InGaAs في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، يُمكن تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام بشكلٍ فعّال عن طريق التبريد.

مرشح بصري

بسبب تأثير حيود الطيف متعدد المراحل، يمكن تقليل تداخل هذا الحيود باستخدام المرشح. على عكس أجهزة قياس الطيف التقليدية، تُغطى أجهزة قياس الطيف بالألياف الضوئية بطبقة واقية، ويتطلب تركيب هذه الطبقة في المصنع. كما تُسهم هذه الطبقة في منع الانعكاس وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام.

يتحدد أداء المطياف بشكل أساسي من خلال النطاق الطيفي والدقة البصرية والحساسية. وعادةً ما يؤثر تغيير أحد هذه المعايير على أداء المعايير الأخرى.

لا يكمن التحدي الرئيسي في تصميم المطياف في تحقيق أقصى قدر من الدقة لجميع المعايير أثناء التصنيع، بل في جعل مؤشراته الفنية تلبي متطلبات الأداء لمختلف التطبيقات في هذا الفضاء ثلاثي الأبعاد. تُمكّن هذه الاستراتيجية المطياف من تلبية احتياجات العملاء وتحقيق أقصى عائد بأقل استثمار. يعتمد حجم المكعب على المؤشرات الفنية التي يجب أن يحققها المطياف، ويرتبط حجمه بمدى تعقيد المطياف وسعر المنتج. يجب أن تُلبي منتجات المطياف المعايير الفنية المطلوبة من العملاء بشكل كامل.

النطاق الطيفي

أجهزة قياس الطيفعادةً ما توفر النطاقات الطيفية الأصغر معلومات طيفية مفصلة، ​​بينما توفر النطاقات الطيفية الأكبر نطاقًا بصريًا أوسع. لذلك، يُعد النطاق الطيفي للمطياف أحد المعايير المهمة التي يجب تحديدها بدقة.

العوامل التي تؤثر على النطاق الطيفي هي بشكل رئيسي المحزز والكاشف، ويتم اختيار المحزز والكاشف المناسبين وفقًا لمتطلبات مختلفة.

حساسية

وبالحديث عن الحساسية، من المهم التمييز بين الحساسية في قياس الضوء (أصغر قوة إشارة يمكن أنمطياف(يمكن الكشف) والحساسية في القياس الكمي (أصغر فرق في الامتصاص يمكن لجهاز قياس الطيف قياسه).

أ. الحساسية الضوئية

بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مطيافات عالية الحساسية، مثل مطيافية التألق ومطيافية رامان، نوصي باستخدام مطيافات الألياف الضوئية المبردة حراريًا من SEK، المزودة بكاشفات CCD ثنائية الأبعاد مبردة حراريًا بدقة 1024 بكسل، بالإضافة إلى عدسات تكثيف الكاشف، ومرايا ذهبية، وفتحات واسعة (100 ميكرومتر أو أكثر). يتيح هذا الطراز استخدام فترات تكامل طويلة (من 7 مللي ثانية إلى 15 دقيقة) لتحسين قوة الإشارة، كما يُسهم في تقليل التشويش وتحسين النطاق الديناميكي.

ب. الحساسية الستويكيومترية

للكشف عن قيمتين لمعدل الامتصاص متقاربتين جدًا في السعة، لا يكفي حساسية الكاشف فحسب، بل يجب أيضًا مراعاة نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يُعد كاشف CCD ثنائي الأبعاد ذو 1024 بكسل، والمبرد حراريًا، في مطياف SEK، الكاشف ذو أعلى نسبة إشارة إلى ضوضاء، حيث تبلغ 1000:1. كما يُمكن تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء عن طريق حساب متوسط ​​صور طيفية متعددة، وتؤدي زيادة عدد مرات حساب المتوسط ​​إلى زيادة النسبة بمعدل الجذر التربيعي، فعلى سبيل المثال، يُمكن لمتوسط ​​100 مرة أن يزيد نسبة الإشارة إلى الضوضاء 10 أضعاف، لتصل إلى 10000:1.

دقة

تُعدّ الدقة البصرية معيارًا هامًا لقياس قدرة الفصل البصري. إذا كنت بحاجة إلى دقة بصرية عالية جدًا، فننصحك باختيار محزز حيود يحتوي على 1200 خط/مم أو أكثر، بالإضافة إلى شق ضيق وكاشف CCD بدقة 2048 أو 3648 بكسل.