در علوم آزمایشگاهی، فیزیک، شیمی و مهندسی، طیف سنج نوری یکی از ابزارهای کلیدی برای تحلیل برهمکنش نور با ماده است. عملکرد دقیق این دستگاه ها مستقیماً به اجزای مختلفی وابسته است که هر کدام نقش مشخصی در تولید، تجزیه، هدایت و آشکارسازی نور ایفا می کنند.
اصل اساسی این است که هر ماده، نور را در محدوده طول موجی مشخصی جذب کرده یا از خود عبور می دهد. با استفاده از طیف سنج نوری، می توان شدت نور عبوری یا جذبی را اندازه گیری کرد و اطلاعات ارزشمندی را در مورد ماده مورد آنالیز به دست آورد.‎ ‎در این مقاله به بررسی اجزای اصلی انواع طیف سج نوری می پردازیم و نقش هر بخش را به زبان ساده اما تخصصی توضیح می دهیم تا درک بهتری از عملکرد این دستگاه به دست آید.

انواع‎ ‎طیف‎ ‎سنج‎ ‎نوری

دستگاه‎ های طیف سنج نوری (اسپکتروفتومتر) بر اساس روش تفکیک و ثبت طول موج، به سه نوع کلی تقسیم می شوند. این تفاوت ها باعث می شود که اجزا، چیدمان اپتیکی، سرعت اندازه گیری و کاربرد هر دستگاه با دیگری متفاوت باشد.‎ به­ طور کلی، طیف­ سنج ­های نوری بر اساس عملکرد آنها، به سه گروه تقسیم می­ شوند:

• طیف سنج نوری تبدیل فوریه
• طیف سنج نوری تک رنگ ساز
• طیف سنج نوری چند رنگ ساز

طیف‎ ‎سنج‎ ‎نوری‎ ‎تک‎ ‎رنگ‎ ‎ساز

دسته­ دیگر، طیف­ سنج‎ نوری تک­ رنگ ­ساز است‎ ‎که‎ نور خروجی از منبع، پس از عبور از شکاف ورودی وارد تک رنگ ساز (منشور یا توری پراش) می شود. در این ساختار، در هر لحظه تنها یک طول موج مشخص انتخاب شده و به آشکارساز می رسد.‎ در‎ ‎حقیقت‎،‎ پرتو تابشی می ­تواند از طیف وسیعی از طول موج ­ها تشکیل شده باشد، اما طول موج ­هایی که ناخواسته هستند (در آنالیز مورد نیاز نیستند) و از طریق عناصر اپتیکی جذب گردیده یا پراکنده می شوند.‎ ‎اسپکتروفتومترهای تک ­رنگ ­ساز، با یک طراحی ساده، معمولاً دارای یک توری پراش چرخشی هستند و طول موج خاصی (تک رنگ) را از تابش الکترومغناطیسی فرودی جدا می­ کنند.

در این نوع از طیف ­سنج نوری، بسته به طول موج، پرتو نور ( امواج الکترومغناطیسی) به طور یکپارچه منتشر می­ شود و از ماده نمونه عبور می کند.‎ از طریق یک عنصر پراکننده ( مثل منشور یا یک توری پراش)، نور به طول موج های کوچک‎ تر تفکیک می شود و از طریق یک دیافراگم تقسیم کننده (مانند یک فیلتر)، یک محدوده طول موج حداقلی از نور (یعنی یک رنگ خاص) انتخاب می­ شود.‎ در نهایت، طول موج انتخابی به آشکارساز رسیده و ثبت و خوانش می شود.

این نوع طیف سنج ها معمولاً دقت بالایی دارند اما به دلیل اسکن پله ای طول موج، سرعت اندازه گیری آن نسبت به سایر انواع کمتر است. اسپکتروفتومترهای کلاسیک آزمایشگاهی اغلب از این نوع بودند.

طیف‎ ‎سنج‎ ‎نوری‎ ‎چند‎ ‎رنگ‎ ‎ساز

عملکرد‎ کلی‎ طیف ­سنج­ نوری چندرنگ ­ساز‎ مشابه‎ با‎ نوع‎ تک‎ رنگ‎ ساز‎ است، با‎ این‎ تفاوت‎ که‎ طیف‎ سنج‎ های چند‎ رنگ‎ ساز‎ سیستمی با آشکارساز چند کاناله (آرایه‎ ای)‎ دارند‎ و‎ معمولاً در چیدمان اپتیکی‎ آنها هیچ کدام از اجزای طیف ­سنج نمی­ چرخد، توری‎ پراش ثابت است و شدت‎ کل طیف طول موجی، بر روی یک آشکارساز آرایه­ ای ثبت می­ شود.‎ توری پراش‎ را نیز می ­توان بسته به نوع پیکربندی سیستم، از نوع تخت یا مقعر انتخاب کرد که در ادامه بیشتر به آن خواهیم پرداخت.

مزیت این نوع طیف سنج، سرعت بالای اندازه گیری و مناسب بودن آن‎ برای پایش های سریع و فرایندهای صنعتی است، هر چند ممکن است دقت طیفی آن نسبت به نوع تک رنگ ساز کمتر باشد.

طیف سنج نوری‎ ‎تبدیل‎ ‎فوریه

نوع اول طیف سنج نوری، به طیف ­سنج­ های تبدیل فوریه معروف هستند که معمولاً در پیکربندی آنها به‎ جای استفاده‎ از‎ عنصر‎ تفکیک‎ کننده‎ طول موج،‎ از یک تداخل ­سنج (معمولاً‎ مایکلسون) و یک تقسیم ­کننده­ پرتو نور (برای ایجاد دو مسیر نوری) استفاده می ­شود.‎

خروجی این سیستم یک سیگنال تداخلی (اینترفروگرام) است که با استفاده از تبدیل فوریه به طیف نهایی تبدیل می شود. این نوع از طیف سنج نوری، دارای توان تفکیک بالا، نسبت سیگنال به نویز بهتر و سرعت اندازه گیری زیاد است و بیشتر در ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی کاربرد دارد.‎ تبدیل فوریه به شما امکان می دهد طیف با دامنه زمانی را به طیف دامنه فرکانس تبدیل کنید. توجه داشته باشید که تفسیر طیف های حوزه زمانی برای آنالیزهای کمی و کیفی دشوار است، در حالی که طیف فرکانسی به راحتی قابل تفسیر است.‎

اجزای اصلی یک‎ طیف ­سنج نوری

شکاف ورودی و خروجی

همان­طور که پیش از این نیز اشاره شد،‎ یک‎ طیف ­سنج نوری سیستم تصویربرداری است که تعداد زیادی طول موج تک ­رنگ یا چند رنگ را بر روی صفحه­ آشکارساز تصویر می­ کنند.‎ اندازه شکاف ورودی و خروجی، در عملکرد‎ این‎ دستگاه‎ ها‎ بسیار مهم است زیرا عامل مهمی در تعیین تفکیک یا توان تفکیک است.‎ معمولاً نوری که وارد دستگاه اسپکتروفتومتر می‌ شود، از طریق یک فیبر یا عدسی بر روی شکاف ثابت تراز گردیده و متمرکز می‌شود. شکاف­ های با عرض بزرگ، شدت بالا را ممکن می­ کنند، اما عرض طیفی بالایی خواهند داشت.

توری پراش

توری های پراش، یکی دیگر از مهم­ ترین بخش های طیف­ سنج نوری هستند که الگویی تکرار شونده با فاصله­ یکنواخت از خطوطی می باشند که فاز یا دامنه­ نور فرودی را تحت تأثیر قرار می ­دهند و بسته به زاویه­ تابش نور، الگوهای طیفی روی سطح تصویربرداری در پشت توری قابل تشخیص است.‎ طیف­ های حاصل از توری پراش به این دلیل قابل تشخیص هستند که زاویه­ پراش به طول موج نور بستگی دارد و نور با طول موج بلندتر، معمولاً زاویه پراش بزرگ­تری را نشان می­ دهد.

به طور دقیق ­تر، یک طول موج منفرد ممکن است به طور همزمان چندین زاویه­­ پراش گسسته را نمایش دهد که به عنوان مرتبه ­های پراش شناخته می­ شوند.‎ این بدان معنی است که یک توری‎ پراش، یک پرتو چند رنگی فرودی را به اجزای طول موج تشکیل دهنده­ آن تفکیک‎ می­ کند و به‎ اصطلاح‎ گفته می ­شود که نور پراکنده شده است (بر اساس قانون براگ).

سه نوع رایج توری پراش‎ ‎در‎ ‎طیف‎ ‎سنج‎ ‎های‎ ‎نوری

توری پراش یکی از مهم ترین اجزای اپتیکی در‎ دو‎ نوع‎ طیف سنج نوری تک رنگ ساز و چند رنگ ساز است. جدای از چگالی خط، توری‎ پراش‎ بیش از همه با مقطع عرضی شیار آن تعریف می­ شود، زیرا پروفیل­ های مناسب می­ توانند بازده پراش را بهینه کنند و در حال حاضر سه شکل مختلف توری پراش استفاده می­ شود:

• توری‎ پراش سینوسی
• توری‎ پراش‎ بِلِیز
• توری‎ پراش‎ لَمینار

با تنظیم زاویه­ تابش و فاصله­ شکاف از توری پراش، محدوده­ طول­ موجی و توان تفکیک طیف ­سنج نوری تعیین می­ شود و انتخاب یک توری پراش مناسب، یک عامل کلیدی در بهینه­ سازی طیف­ سنج، برای حصول بهترین نتایج طیفی در کاربردهای خاص است.

آشکارساز

نقش آشکارساز در طیف سنج‎ نوری‎ این است که شدت نور منتقل شده از توری پراش را تشخیص داده و شدت‎ طول‎ موج‎ ­های حاصل را‎ ثبت نموده‎ و برای‎ نمایش به یک سنجش­گر ‎ یا‎‎ نمایشگر‎ بفرستد.‎ به­ طور کلی، برای آشکارسازی نور در یک‎ طیف سنج دو راه وجود دارد:

• راه اول، شامل انتخاب طول­ موج جداشده توسط توری پراش و عبور آن از شکاف خروجی و آشکارسازی آن توسط یک آشکارساز یک­پارچه است و این ایده معمولاً در طیف سنج نوری تک­ رنگ ­ساز استفاده می ­شود.
• راه دوم، شامل آشکارسازی تمام طیف جداشده به ­صورت همزمان است و این ایده ویژ­ه طیف سنج نوری­ چندرنگ­ ساز است.

در اسپکتروفتومترهای مدرن معمولاً از آشکارسازهای نوع  بار جفت شده (CCD) ‎استفاده می­ شود که آرایه­ ای از خازن­ های نوری هستند (طیف­ نگار نیز نامیده می ­شوند).‎ این نوع حسگرها، سطوح صافی دارند و بنابراین می­ توانند بهترین تمرکز را در بیش از دو نقطه فراهم کنند.

در برخی آشکارسازهای مدرن نیز از آشکارسازهای نوع CMOS ( نیم‌رسانای اکسید-فلز مُکمِّل) بعنوان جایگزینی برای CCDها استفاده می­ شود که این حسگرها نیز در فرایندی تا‎ حدی مشابه با  CCDها، فوتون‌ ها را تبدیل می‌ کنند اما سرعت­ بالاتری نسبت به آنها دارند.‎ هر دوی این آشکارسازهای‎ آرایه‎ ای، از پیکسل­ هایی تشکیل شده ­اند که هر پیکسل نشان ­دهنده­ بخشی از طیف است که به صورت الکترونیکی و با استفاده از نرم ­افزار، با شدت معینی ترجمه و نمایش داده شده است.

با توجه به نقش مهم آشکارسازها در‎ طیف سنج های نوری، حسگرهای CMOS، مزیت­ هایی نسبت به نوع CCD دارند که در اینجا، به برخی از مهم­ترین آنها اشاره شده است:

• ادغام توابع همراه روی همان قالب سنسور تصویر، ایجاد قابلیت دوربین روی چیپ یا سیستم روی چیپ
• مصرف توان پایین
• کاهش اندازه سیستم تصویربرداری، در نتیجه­ یکپارچگی و کاهش مصرف انرژی
• توانایی استفاده از خطوط تولید یکسان CMOS به عنوان جریان اصلی منطق و ساخت دستگاه حافظه
• صرفه جویی در مقیاس برای تولید تصویرگر CMOS.

خلاصه

در این مقاله، به انواع کلی طیف سنج نوری پرداختیم که بطور کلی در سه دسته جای می گیرند:

• طیف سنج نوری نوع تبدیل فوریه
• طیف سنج نوری تک رنگ ساز
• طیف سنج نوری چند رنگ ساز

و در بخش های بعدی، اجزای اصلی یک طیف سنج نوری را‎‎ معرفی‎ کردیم:

• شکاف های ورودی و خروجی که تأثیر مستقیمی بر وضوح و تفکیک اسپکتروفتومترها دارند
• توری های پراش که عامل پراکننده نور هستند
• و آشکارسازها که وظیفه ثبت طول موج ها و طیف را دارند.

در آخر به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که از بخش محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما نیز دیدن کنید و در صورت نیاز کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود کرده و حتی برای دوستان خود بفرستید.‎ امیدواریم که این مقاله مفیده بوده است😍

منابع و مراجع

Palmer, Diffraction Grating Handbook (Newport Corporation, Rochester, NY, ed. 6, 2005).

C. Thompson and D. Vaudhn, X-Ray Data Booklet, 2nd ed. (Lawrence Berkeley Laboratory, 2001).

Jacob Baker, CMOS: Circuit Design, Layout, and Simulation, 3^rd Edition. IEEE Press Series on Microelectronic Systems, 2019. ISBN 978-0-470-88132-3

G. Loewen, Diffraction Gratings and Applications (Marcel Dekker, 1997).

A. More, Encyclopedia of Modern Optics, 2005, Pages 324-336.

M. Daltrini, M.Machida, Multichannel detector for ion temperature determination in vacuum ultraviolet spectrum, 2007.

Grabarnik, A. Emadi, H. Wu, G. De Graaf, R.F. Wolffenbuttel, "Concave diffraction gratings fabricated with planar lithography," Micro.

wikipedia