انواع فیلترهای فرکانس و کاربرد آنها در اسپکتروفتومتری

فیلتر فرکانس چیست؟

فیلتر فرکانس (یا انتخابگر فرکانس)، قطعاتی هستند که برای فیلتر کردن بخش هایی از سیگنال ورودی، بر اساس فرکانس آنها استفاده می شوند.

یک فیلتر فرکانس، به طور انتخابی به فرکانس های خاصی از سیگنال، بدون تضعیف (کاهش دامنه) اجازه عبور داده و در عین حال سایر بخش طیف را تضعیف می کند (بسته به نوع).

این فیلترها در کاربردهایی که پردازش انتخابی فرکانس یا طول موج مورد نیاز است، ضروری هستند: مانند پردازش صدا، پردازش تصویر، سیستم های ارتباطی، سیستم های کنترل و سامانه های طیف سنجی.

برای مثال، در پردازش صدا، یک فیلتر پایین گذر می تواند برای حذف نویز فرکانس بالای ناخواسته از سیگنال استفاده شود، در حالی که یک فیلتر بالا گذر می تواند برای حذف نویز فرکانس پایین ناخواسته استفاده شود.

به طور مشابه، در پردازش تصویر، فیلتر فرکانس را می توان برای افزایش ویژگی های خاص در یک تصویر با تقویت یا کاهش گزینشی فرکانس های خاص استفاده کرد.

در اسپکتروفتومتری نیز می توان با استفاده از این فیلترها، به طور انتخابی جذب یا عبور نور توسط یک نمونه را در طول موج های خاص اندازه گیری کرد. البته فیلترهای اسپکتروفتومتری کاملاً با انواع دیگر تفاوت دارند.

انواع فیلتر فرکانسی بر اساس باند عبوری

در اسپکتروفتومتری، برای دستکاری و انتخاب محدوده طول موج هایی که از یک نمونه یا ابزار عبور می کنند، از دو نوع کلی فیلتر استفاده می شود:

• فیلتر فرکانس باند گذر (Band pass)
• فیلتر فرکانس باند توقف (Stop band)

هر یک از این فیلترها دارای مشخصات طیفی منحصر به فردی هستند که می توان برای جداسازی محدوده طول موجی خاص مورد نیاز برای آنالیز استفاده کرد.

• فیلترهای باند گذر معمولاً تنها به طیف مشخصی از طول موج ها اجازه عبور می دهند و انتخاب فیلتر بستگی به الزامات کاربردی مانند محدوده طول موج و سطح دقت مورد نظر دارد.

فیلترهای باند توقف، که به عنوان فیلترهای باند استاپ نیز شناخته می شوند، طیف خاصی از طول موج ها را مسدود می کنند.

انواع فیلتر فرکانس اسپکتروفتومتری بر اساس ساخت

انواع مختلف فیلتر فرکانس، برای عبور گزینشی یا مسدود کردن طول موج های خاصی از نور برای کاربردهای مختلف مانند رنگ سنجی، میکروسکوپ ها و اسکتروفتومتری استفاده می شوند.

این فیلترها معمولاً از موادی ساخته می شوند که خواص نوری ویژه ای دارند، مانند شیشه، فلز یا لایه های نازک.

هر دوی فیلترهای باند گذر و باند توقف را می توان با استفاده از مکانیزم های مختلفی مانند فیلترهای جذبی، فیلترهای تشدید پلاسمون سطحی یا فیلترهای تداخلی ساخت.

با توجه به ساخت، انواع مختلفی از فیلتر فرکانس رایج در اسپکتروفتومتری وجود دارد:

فیلترهای جذبی: این فیلترها طول موج های خاصی از نور را جذب کرده و طول موج های باقی مانده را ارسال می کنند و از شیشه های رنگی، ژلاتین یا فیلم پلاستیکی ساخته می شوند.

فیلترهای تداخلی: این فیلترها از اصل تداخل برای عبور انتخابی طول موج های خاصی از نور (در حین بازتاب مابقی نور) استفاده می کنند و معمولاً از لایه های نازکی از مواد دی الکتریک ساخته می شوند.

فیلترهای پلاریزه: این فیلترها فقط به امواج نوری که در جهت خاصی قطبی شده انداجازه می دهند که اجازه عبور می دهند. این گروه، معمولاً در اندازه گیری های پلاریمتری استفاده می شوند.

فیلترهای چگالی خنثی: این فیلترها دارای جذب یکنواخت در کل محدوده طول موجی هستند و برای کاهش شدت نور بدون تأثیر بر ویژگی های طیفی آن استفاده می شوند.

فیلتر فرکانس جذبی

فیلتر فرکانس جذبی، از آن دسته فیلترهایی است که بر اساس جذب طول موج یا فرکانس های خاصی از نور عمل می کنند و به مابقی طیف فرکانسی اجازه عبور می دهند.

این فیلترها معمولاً در عکاسی، اسپکتروفتومتری و کاربردهای مختلف دیگر که در آن لازم است به طور انتخابی فرکانس های خاصی از نور را فیلتر کرد، استفاده می‌ شوند.

در فیلترهای جذبی، ماده فیلتر کننده معمولاً یک رنگ یا رنگدانه است که در یک حلال، حل شده و بر روی یک بستر اعمال می شود و تمام مواد افزودنی در افزایش میزان جذب و عبور فیلتر کمک می کنند.

رنگ یا رنگدانه بر اساس ترکیب شیمیایی و ساختار خود، طول موج های خاصی از نور را جذب کرده و بقیه طیف طول موجی را عبور می دهد.

با انتخاب نوع مناسب رنگدانه و تنظیم غلظت و ضخامت آن، فیلترهای جذبی متفاوتی را می توان طراحی کرد تا به طور انتخابی، هر محدوده طول موج دلخواه را مسدود کرده یا عبور دهد.

جنس فیلتر فرکانس جذبی معمولاً از شیشه یا ژل های مصنوعی است. آنها همچنین در انواع شیشه ای با پوشش پلاستیکی، استات یا ژلاتین آغشته به مواد آلی یا معدنی نیز در دسترس هستند.

فیلتر فرکانس تداخلی

فیلتر فرکانس نوع تداخلی، که به عنوان فیلتر دو رنگ نیز شناخته می شود، زیر مجموعه فیلترهای نوری است که با استفاده از پدیده تداخل، نور را در طول موج های خاص به طور گزینشی عبور داده یا بازتاب می کند.

این فیلترها از لایه‌های نازکی از مواد با ضریب شکست های متفاوت تشکیل شده‌ اند که بر روی یک بستر معمولاً شیشه یا کوارتز قرار گرفته‌ اند.

هنگامی که نور از لایه ها عبور می کند، برخی از طول موج ها به طور سازنده تداخل می کنند و عبور داده می شوند، در حالی که برخی دیگر تداخل ویرانگر داشته و بازتاب می شوند.

ضخامت و ضریب شکست هر لایه تعیین می کند که کدام طول موج ها عبور کنند و کدام یک بازتاب شوند.

فیلترهای تداخلی را می توان به گونه ای طراحی کرد که یا دارای باندهای عبور بسیار باریک یا باندهای عبور پهن باشد. آنها اغلب برای دستیابی به نیازهای طیفی خاص، در ترکیب با فیلترهای دیگر به کار می روند.

فیلتر فرکانس نوع پلاریزه

فیلترهای پلاریزه که به عنوان پلاریزر نیز شناخته می شوند، نوعی فیلتر نوری هستند که فقط به امواج نوری با جهت قطبش مشخصی اجازه عبور می دهند و در عین حال، قطبش های دیگر را مسدود می کنند.

در مورد امواج الکترومغناطیسی مانند نور، قطبش به جهت بردار میدان الکتریکی موج اشاره دارد و می توان این امواج را به روش های مختلفی قطبی کرد، از جمله:

• قطبش خطی: نور پلاریزه خطی در یک صفحه منفرد نوسان می کند.
• قطبش دایره ای:نور قطبی شده دایره ای ،حول محور خود با اندازه میدان ثابت می چرخد.
• قطبش بیضوی: نور پلاریزه بیضوی ترکیبی از قطبش های خطی و دایره ای است.

فیلترهای پلاریزر معمولاً در عکاسی، میکروسکوپ و طیف‌ سنجی برای کنترل قطبش نور استفاده می‌ شوند. در اسپکتروفتومتری، از فیلترهای پلاریزه می توان برای آنالیز قطبش نور عبوری از یک نمونه استفاده کرد.

با اندازه گیری شدت نور عبوری از نمونه تحت پلاریزاسیون های مختلف، می توان اطلاعاتی در مورد ساختار مولکولی و جهت گیری نمونه به دست آورد.

همچنین می توان از فیلترهای پلاریزه برای حذف بازتاب های ناخواسته یا نور پراکنده در اندازه گیری های اسپکتروفتومتری استفاده کرد و دقت و صحت نتایج را بهبود بخشید.

فیلتر فرکانس نوع چگالی خنثی

فیلترهای چگالی خنثی اغلب در اسپکترومتری و اسپکتروفتومتری، برای کاهش شدت نور بدون تغییر توزیع طیفی آن استفاده می شوند. عملکرد این فیلترها شبیه به عینک آفتابی است که در جلو چشم قرار گرفته و از میزان نور ورودی به آن می کاهد.

در حقیقت مکانیزم پشت فیلترهای چگالی خنثی، بر اساس اصل جذب و بازتاب نور است و جذب یکنواختی در کل محدوده طول موجی دارند.

این فیلترها به گونه ای طراحی شده اند که مقدار نوری را که از آنها عبور می کند توسط یک عامل خاص که معمولاً به عنوان مقدار لگاریتمی چگالی نوری (Optical Density) بیان می شود، کاهش دهند.

مقیاس OD از 0 تا بی نهایت است که هر واحد نشان دهنده کاهش 10 درصدی در انتقال نور است و هر چه مقدار OD بالاتر باشد، نور بیشتری را مسدود می کند.

به عنوان مثال، فیلتر با OD برابر با 1،  نور ورودی را به میزان 10 (یا یک توقف) کاهش می دهد، در حالی که فیلتر با OD برابر با 2، نور ورودی را به میزان 100 (یا دو توقف) کاهش می دهد.

اسپکتروفتومترها برای اندازه گیری جذب یا عبور نور یک نمونه، در طیف وسیعی از طول موج ها استفاده می شوند و از فیلترهای چگالی خنثی می توان برای تنظیم شدت منبع نور آنها استفاده کرد.

عملکرد آنها بر این اساس است که شدت منبع نور در محدوده خطی آشکارساز قرار گیرد و سیگنال اشباع نشود که امکان اندازه گیری دقیق و قابل تکرار جذب یا عبور نمونه را فراهم می کند.

امیداوریم که این مطلب برای شما مفیده بوده 😍

به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم که محصولات شرکت دانش بنیان بلورآزما را نیز مشاهده کنید و در صورت نیاز، می توانید کاتالوگ هر محصول را به صورت جداگانه دانلود نمایید.💐

پیشنهاد می کنیم مقاله اسپکتروفتومتر را برسی کنید

منابع

Wikipedia