اجزای طیف سنج نوری: انواع، توری پراش، شکاف و آشکارساز

طیف سنج نوری یکی از ابزارهای کلیدی در فیزیک، شیمی، زیست شناسی و مهندسی برای بررسی برهمکنش نور با ماده است. اساس کار طیف سنج ها این است که هر ماده، نور را در طول موج های مشخصی جذب، عبور، بازتاب یا گسیل می کند. طیف سنج با تفکیک نور به طول موج های مختلف و اندازه گیری شدت هر کدام، اطلاعات ارزشمندی درباره ترکیب و غلظت ماده ارائه می دهد.

دقت و عملکرد یک طیف سنج به اجزای اپتیکی آن بستگی دارد که هر کدام نقش مشخصی در تولید، هدایت، تفکیک و آشکارسازی نور دارند. در این مقاله ابتدا با انواع طیف سنج های نوری آشنا می شوید و سپس نقش هر جزء را به زبان ساده اما تخصصی بررسی می کنیم. برای آشنایی با اصول کلی و پارامترهای عملکرد این دستگاه ها، مقاله دستگاه اسپکتروفتومتر را بخوانید.

انواع طیف سنج نوری

طیف سنج های نوری بر اساس روش تفکیک و ثبت طول موج ها به سه گروه اصلی تقسیم می شوند:

• طیف سنج تک رنگ ساز (مونوکروماتور)

• طیف سنج چندرنگ ساز (پلی کروماتور)

• طیف سنج تبدیل فوریه

این تفاوت ها روی اجزا، چیدمان اپتیکی، سرعت اندازه گیری و کاربرد هر دستگاه اثر می گذارند.

طیف سنج تک رنگ ساز

در طیف سنج تک رنگ ساز، نور منبع از یک شکاف ورودی وارد تک رنگ ساز می شود. تک رنگ ساز با یک منشور یا توری پراش، نور را به طول موج های مختلف تفکیک می کند و یک شکاف خروجی فقط محدوده باریکی از طول موج ها را عبور می دهد. به این ترتیب، در هر لحظه فقط یک طول موج (یک رنگ مشخص) انتخاب می شود.

در اسپکتروفتومترهای کلاسیک، این نور تک رنگ از نمونه عبور کرده و به یک آشکارساز تکی، مانند فتودیود یا لوله فتومولتی پلایر، می رسد. برای ثبت کل طیف، توری پراش می چرخد و طول موج ها یکی یکی اسکن می شوند.

• مزیت: نور سرگردان کم و تفکیک خوب، به ویژه با تک رنگ سازهای دوبل

• محدودیت: به دلیل اسکن پله ای طول موج، سرعت ثبت کامل طیف کم است و قطعات متحرک دارد.

اسپکتروفتومترهای کلاسیک آزمایشگاهی اغلب از این نوع بودند.

طیف سنج چندرنگ ساز

طیف سنج چندرنگ ساز از نظر اپتیکی شبیه تک رنگ ساز است، اما دو تفاوت اصلی دارد:

• توری پراش ثابت است و هیچ قطعه اپتیکی نمی چرخد.

• به جای شکاف خروجی و آشکارساز تکی، از یک آشکارساز آرایه ای (چندکاناله) استفاده می شود که کل طیف را به طور همزمان ثبت می کند.

در اسپکتروفتومترهای چندرنگ ساز، معمولا نور ابتدا از نمونه عبور می کند و سپس وارد طیف سنج شده و تفکیک می شود. توری پراش می تواند تخت یا مقعر باشد.

• مزایا: سرعت بسیار بالا (ثبت کل طیف در کسری از ثانیه)، نبود قطعه متحرک، پایداری بیشتر و ابعاد کوچک تر

• کاربردها: آنالیزهای آزمایشگاهی سریع، پایش فرایندهای صنعتی و دستگاه های قابل حمل

تفکیک این طیف سنج ها به طراحی اپتیکی، توری پراش و اندازه پیکسل های آشکارساز بستگی دارد. اسپکتروفتومترهای بلورآزما نیز از این نوع هستند و از چیدمان چرنی ترنر و آشکارساز آرایه ای CMOS استفاده می کنند. برای آشنایی بیشتر، مقاله اسپکتروفتومتر ایرانی بلورآزما را بخوانید.

طیف سنج تبدیل فوریه

طیف سنج تبدیل فوریه اصلا از عنصر تفکیک کننده طول موج مانند توری پراش استفاده نمی کند. به جای آن، یک تداخل سنج، معمولا از نوع مایکلسون، نور را با یک تقسیم کننده پرتو به دو مسیر تقسیم می کند. یکی از آینه های تداخل سنج حرکت می کند و اختلاف مسیر دو پرتو را تغییر می دهد.

خروجی دستگاه یک سیگنال تداخلی به نام اینترفروگرام است که شدت نور را بر حسب اختلاف مسیر نوری نشان می دهد. این سیگنال به تنهایی قابل تفسیر نیست، اما با استفاده از تبدیل فوریه به یک طیف معمولی، یعنی شدت بر حسب طول موج یا عدد موج، تبدیل می شود.

مزایای طیف سنج تبدیل فوریه عبارت اند از:

• مزیت چندگانه: همه طول موج ها همزمان اندازه گیری می شوند و نسبت سیگنال به نویز بهتر است.

• مزیت توان عبوری: چون شکاف باریکی وجود ندارد، نور بیشتری به آشکارساز می رسد.

• دقت بالای عدد موج: موقعیت آینه با یک لیزر مرجع با دقت بسیار بالا اندازه گیری می شود.

• تفکیک بالا

طیف سنج های تبدیل فوریه بیشتر در ناحیه فروسرخ استفاده می شوند و طیف سنجی FTIR یکی از مهم ترین روش های شناسایی ترکیبات آلی است.

اجزای اصلی طیف سنج نوری

منبع نور

منبع نور باید در محدوده طول موج کاری دستگاه، نوری پایدار با شدت کافی تولید کند. منابع رایج عبارت اند از لامپ دوتریوم برای ناحیه فرابنفش، لامپ هالوژن تنگستن برای ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک، لامپ زنون برای طیف گسترده، و LED برای طول موج های مشخص. برای آشنایی کامل، مقاله انواع منبع نوری را بخوانید.

شکاف ورودی و خروجی

شکاف ورودی دهانه باریکی است که نور از آن وارد طیف سنج می شود. نور معمولا از طریق یک فیبر نوری یا عدسی روی شکاف متمرکز می شود. طیف سنج در واقع تصویری از شکاف ورودی را برای هر طول موج روی آشکارساز یا شکاف خروجی تشکیل می دهد.

عرض شکاف یکی از مهم ترین عوامل تعیین کننده تفکیک دستگاه است:

• شکاف باریک: تفکیک بهتر و پهنای باند طیفی کمتر، اما نور کمتر و نویز بیشتر

• شکاف پهن: نور و حساسیت بیشتر، اما تفکیک کمتر

انتخاب عرض شکاف، یک مصالحه بین تفکیک و حساسیت است. در برخی دستگاه ها، عرض شکاف قابل تنظیم است.

آینه ها و عدسی های موازی ساز و کانونی کننده

در بیشتر طیف سنج ها، نور پس از ورود از شکاف، توسط یک آینه یا عدسی موازی ساز موازی شده و به توری پراش می رسد. پس از تفکیک، یک آینه یا عدسی کانونی کننده نور هر طول موج را روی آشکارساز متمرکز می کند. در چیدمان رایج چرنی ترنر، دو آینه مقعر این وظایف را انجام می دهند. استفاده از آینه به جای عدسی، از ابیراهی رنگی جلوگیری می کند. برای آشنایی بیشتر، مقاله های آینه اپتیکی و لنز اسپکتروفتومتر را بخوانید.

توری پراش

توری پراش مهم ترین جزء تفکیک کننده نور در طیف سنج های تک رنگ ساز و چندرنگ ساز است. توری پراش یک سطح با شیارهای موازی و بسیار نزدیک به هم است که با فاصله یکنواخت روی آن ایجاد شده اند. نور تابیده شده به توری، در اثر پراش و تداخل امواج بازتابی از شیارها، در زاویه هایی وابسته به طول موج پخش می شود. به این ترتیب نور چندرنگ به طول موج های تشکیل دهنده اش تفکیک می شود.

رابطه بین طول موج و زاویه پراش با معادله توری بیان می شود:

m × λ = d × (sin α + sin β)

• m: مرتبه پراش (۰، ۱، ۲، ...)

• λ: طول موج نور

• d: فاصله بین دو شیار متوالی

• α و β: زاویه تابش و زاویه پراش

نکات مهم این رابطه:

• نور با طول موج بلندتر با زاویه بزرگ تری پراشیده می شود.

• هر طول موج ممکن است در چند زاویه مختلف، به نام مرتبه های پراش، دیده شود. برای جلوگیری از همپوشانی مرتبه ها، از فیلترهای جداکننده مرتبه استفاده می شود.

• هرچه چگالی شیارها (تعداد شیار در هر میلی متر) بیشتر باشد، پاشندگی و قدرت تفکیک بیشتر است.

توری خراشی و هولوگرافیک

• توری خراشی: شیارها با یک ابزار الماسه به صورت مکانیکی روی سطح ایجاد می شوند.

• توری هولوگرافیک: شیارها با الگوی تداخلی دو پرتو لیزر و روش نوری ایجاد می شوند. این توری ها نقص های تناوبی کمتری دارند و نور سرگردان کمتری ایجاد می کنند.

انواع توری پراش بر اساس شکل شیار

علاوه بر چگالی شیارها، شکل مقطع شیار نیز روی بازده پراش اثر زیادی دارد:

• توری سینوسی: شیارها مقطع موجی شکل دارند و معمولا به روش هولوگرافیک ساخته می شوند. بازده آنها در محدوده گسترده ای از طول موج ها نسبتا یکنواخت است.

• توری بلیز: شیارها مقطع دندانه اره ای با زاویه مشخصی به نام زاویه بلیز دارند. این زاویه طوری انتخاب می شود که بیشترین نور در یک مرتبه و طول موج مشخص (طول موج بلیز) متمرکز شود و بازده در آن ناحیه بسیار بالا باشد.

• توری لمینار: شیارها مقطع مستطیلی دارند. این توری ها مرتبه های زوج پراش را تضعیف می کنند و بیشتر در طیف سنجی اشعه ایکس نرم و فرابنفش خلأ استفاده می شوند.

توری تخت و مقعر

• توری تخت: به آینه ها یا عدسی های جداگانه برای موازی کردن و کانونی کردن نور نیاز دارد؛ مانند طرح چرنی ترنر.

• توری مقعر: پراش و کانونی کردن نور را در یک قطعه انجام می دهد. این توری ها برای طیف سنج های فشرده با آشکارساز آرایه ای مناسب اند و تعداد قطعات اپتیکی را کاهش می دهند.

انتخاب توری مناسب، یعنی چگالی شیار، طول موج بلیز و نوع توری، و تنظیم زاویه تابش و موقعیت شکاف، محدوده طول موج و تفکیک طیف سنج را تعیین می کند.

محفظه نمونه

نمونه معمولا در یک کووت درون محفظه نمونه قرار می گیرد. محفظه نمونه باید در برابر نور محیط کاملا بسته باشد. جنس کووت باید متناسب با ناحیه طیفی باشد؛ برای ناحیه فرابنفش از کووت کوارتز و برای ناحیه مرئی می توان از کووت شیشه ای یا پلاستیکی استفاده کرد.

آشکارساز

آشکارساز شدت نور تفکیک شده را اندازه گیری کرده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. دو روش اصلی برای آشکارسازی نور در طیف سنج ها وجود دارد:

• آشکارساز تکی: در طیف سنج های تک رنگ ساز، فقط طول موج انتخاب شده از شکاف خروجی عبور کرده و به یک آشکارساز تکی، مانند فتودیود یا لوله فتومولتی پلایر، می رسد.

• آشکارساز آرایه ای: در طیف سنج های چندرنگ ساز، کل طیف به طور همزمان روی یک آرایه از هزاران پیکسل می افتد و هر پیکسل شدت یک بخش از طیف را اندازه گیری می کند.

رایج ترین آشکارسازهای آرایه ای عبارت اند از:

• CCD: آرایه ای از خازن های حساس به نور که بارهای الکتریکی را برای خوانش به یک خروجی مشترک منتقل می کند. CCDها نویز کم و یکنواختی بالایی دارند.

• CMOS: آرایه ای که در آن هر پیکسل تقویت کننده خود را دارد. سنسورهای CMOS در بسیاری از طیف سنج های امروزی جایگزین CCD شده اند.

مزایای سنسورهای CMOS نسبت به CCD عبارت اند از:

• سرعت خوانش بیشتر

• مصرف انرژی کمتر

• امکان قرار دادن مدارهای کنترل، مبدل آنالوگ به دیجیتال و پردازش روی همان تراشه

• کوچک تر شدن و یکپارچگی بیشتر سیستم

• هزینه ساخت کمتر، چون با همان خطوط تولید تراشه های معمولی ساخته می شوند

برای آشنایی کامل با این آشکارسازها، مقاله های سنسور CMOS و آشکارساز نوری را بخوانید.

الکترونیک و نرم افزار

سیگنال آشکارساز تقویت شده و با یک مبدل آنالوگ به دیجیتال به داده دیجیتال تبدیل می شود. سپس نرم افزار دستگاه، طیف را پردازش کرده، جذب یا عبور را محاسبه و نتایج را به صورت طیف یا غلظت نمایش می دهد.

سوالات متداول درباره اجزای طیف سنج نوری

اجزای اصلی طیف سنج نوری کدام اند؟

منبع نور، شکاف ورودی، آینه ها یا عدسی های موازی ساز و کانونی کننده، توری پراش، محفظه نمونه، آشکارساز و الکترونیک و نرم افزار.

تفاوت طیف سنج تک رنگ ساز و چندرنگ ساز چیست؟

در تک رنگ ساز، توری پراش می چرخد و طول موج ها یکی یکی اسکن می شوند، اما در چندرنگ ساز، توری ثابت است و کل طیف همزمان روی آشکارساز آرایه ای ثبت می شود.

نقش توری پراش در طیف سنج چیست؟

تفکیک نور چندرنگ به طول موج های تشکیل دهنده آن، با پخش کردن هر طول موج در زاویه ای متفاوت.

عرض شکاف چه اثری بر طیف سنج دارد؟

شکاف باریک تر تفکیک را بهتر می کند اما نور کمتری وارد دستگاه می شود؛ شکاف پهن تر حساسیت را افزایش اما تفکیک را کاهش می دهد.

طیف سنج تبدیل فوریه چگونه کار می کند؟

با یک تداخل سنج مایکلسون، سیگنال تداخلی ایجاد می کند و با تبدیل فوریه آن را به طیف تبدیل می کند؛ بیشتر در ناحیه فروسرخ استفاده می شود.

جمع بندی

طیف سنج های نوری بر اساس روش تفکیک طول موج به سه گروه تک رنگ ساز، چندرنگ ساز و تبدیل فوریه تقسیم می شوند. تک رنگ سازها طول موج ها را یکی یکی اسکن می کنند، چندرنگ سازها با آشکارساز آرایه ای کل طیف را همزمان ثبت می کنند و طیف سنج های تبدیل فوریه از تداخل سنج و تبدیل فوریه استفاده می کنند. اجزای اصلی یک طیف سنج شامل منبع نور، شکاف ورودی که روی تفکیک اثر مستقیم دارد، آینه ها و عدسی ها، توری پراش که نور را تفکیک می کند، و آشکارساز که شدت طول موج ها را ثبت می کند، هستند. انتخاب درست هر یک از این اجزا، عملکرد نهایی دستگاه را تعیین می کند.

برای آشنایی با اسپکتروفتومترهای بلورآزما و دانلود کاتالوگ آنها، به صفحه [محصولات] مراجعه کنید.

منابع

• C. Palmer, Diffraction Grating Handbook, 6th ed., Newport Corporation, 2005

• E. G. Loewen and E. Popov, Diffraction Gratings and Applications, Marcel Dekker, 1997

• R. J. Baker, CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, 3rd ed., IEEE Press, 2010

• Encyclopedia of Modern Optics, Elsevier, 2005

• A. Thompson and D. Vaughan, X-Ray Data Booklet, 2nd ed., Lawrence Berkeley National Laboratory, 2001

• Concave Diffraction Gratings Fabricated with Planar Lithography