Mots clés : Réseau holographique en phase solide VPH, Spectrophotomètre de transmission, Spectromètre de réflectance, Voie optique Czerny-Turner.
1. Vue d'ensemble
Le spectromètre à fibre optique peut être classé en réflexion et en transmission, selon le type de réseau de diffraction.Un réseau de diffraction est essentiellement un élément optique, comportant un grand nombre de motifs également espacés, soit en surface, soit à l'intérieur.Il s’agit d’un spectromètre à fibre optique à composants critiques.Lorsque la lumière interagit avec ces réseaux, elle se disperse dans des angles distincts déterminés par différentes longueurs d'onde grâce à un phénomène connu sous le nom de diffraction de la lumière.
Ci-dessus : spectromètre de réflectance de discrimination (à gauche) et spectromètre de transmission (à droite)
Les réseaux de diffraction sont généralement classés en deux types : les réseaux de réflexion et les réseaux de transmission.Les réseaux de réflexion peuvent être divisés en réseaux de réflexion plans et réseaux concaves, tandis que les réseaux de transmission peuvent être subdivisés en réseaux de transmission de type rainure et en réseaux de transmission holographiques à phase volumique (VPH).Cet article présente principalement le spectromètre de réflectance de type réseau Blaze plan et le spectromètre de transmission de type réseau VPH.
Ci-dessus : réseau de réflexion (à gauche) et réseau de transmission (à droite).
Pourquoi la plupart des spectromètres choisissent-ils désormais la dispersion en réseau plutôt que le prisme ?Elle est principalement déterminée par les principes spectraux du réseau.Le nombre de lignes par millimètre sur le réseau (densité de lignes, unité : lignes/mm) détermine les capacités spectrales du réseau.Une densité de lignes de réseau plus élevée entraîne une plus grande dispersion de la lumière de différentes longueurs d'onde après avoir traversé le réseau, conduisant à une résolution optique plus élevée.Généralement, les densités disponibles et de rainure de réseau incluent 75, 150, 300, 600, 900, 1 200, 1 800, 2 400, 3 600, etc., répondant aux exigences de diverses plages spectrales et résolutions.Tandis que la spectroscopie du prisme est limitée par la dispersion des matériaux en verre, où la propriété dispersive du verre détermine la capacité spectroscopique du prisme.Les propriétés dispersives des matériaux en verre étant limitées, il est difficile de répondre de manière flexible aux exigences de diverses applications spectrales.Par conséquent, il est rarement utilisé dans les spectromètres à fibre optique miniatures commerciaux.
Légende : Effets spectraux de différentes densités de rainures de réseau dans le diagramme ci-dessus.
La figure montre la spectrométrie de dispersion de la lumière blanche à travers un verre et la spectrométrie de diffraction à travers un réseau.
L'histoire du développement des réseaux commence avec la classique « expérience à double fente de Young » : en 1801, le physicien britannique Thomas Young a découvert l'interférence de la lumière à l'aide d'une expérience à double fente.La lumière monochromatique passant à travers des doubles fentes présentait des franges alternées claires et sombres.L’expérience à double fente a d’abord validé que la lumière présente des caractéristiques similaires aux vagues d’eau (la nature ondulatoire de la lumière), provoquant une sensation dans la communauté des physiciens.Par la suite, plusieurs physiciens ont mené des expériences d'interférence à fentes multiples et observé le phénomène de diffraction de la lumière à travers des réseaux.Plus tard, le physicien français Fresnel a développé la théorie de base de la diffraction par réseau en combinant les techniques mathématiques proposées par le scientifique allemand Huygens, en s'appuyant sur ces résultats.
La figure montre l'interférence à double fente de Young sur la gauche, avec une alternance de franges claires et sombres.Diffraction multi-fentes (à droite), répartition des bandes colorées à différents ordres.
2. Spectromètre réfléchissant
Les spectromètres à réflexion utilisent généralement un chemin optique composé d'un réseau de diffraction plan et de miroirs concaves, appelé chemin optique de Czerny-Turner.Il se compose généralement d'une fente, d'un réseau de flammes plan, de deux miroirs concaves et d'un détecteur.Cette configuration se caractérise par une haute résolution, une faible lumière parasite et un débit optique élevé.Une fois que le signal lumineux est entré par une fente étroite, il est d'abord collimaté en un faisceau parallèle par un réflecteur concave, qui frappe ensuite un réseau de diffraction plan où les longueurs d'onde constitutives sont diffractées sous des angles distincts.Enfin, un réflecteur concave concentre la lumière diffractée sur un photodétecteur et les signaux de différentes longueurs d'onde sont enregistrés par des pixels situés à différentes positions sur la puce photodiode, générant finalement un spectre.En règle générale, un spectromètre à réflexion comprend également des filtres de suppression de diffraction du second ordre et des lentilles de colonne pour améliorer la qualité des spectres de sortie.
La figure montre un spectromètre à réseau de chemin optique CT de type croisé.
Il convient de mentionner que Czerny et Turner ne sont pas les inventeurs de ce système optique, mais sont reconnus pour leurs contributions exceptionnelles au domaine de l'optique : l'astronome autrichien Adalbert Czerny et le scientifique allemand Rudolf W. Turner.
Le chemin optique de Czerny-Turner peut généralement être classé en deux types : croisé et déplié (type M).Le chemin optique croisé/chemin optique de type M est plus compact.Ici, la distribution symétrique gauche-droite de deux miroirs concaves par rapport au réseau plan présente une compensation mutuelle des aberrations hors axe, ce qui entraîne une résolution optique plus élevée.Le spectromètre à fibre optique SpectraCheck® SR75C utilise un chemin optique de type M et atteint une résolution optique élevée jusqu'à 0,15 nm dans la plage ultraviolette de 180 à 340 nm.
Ci-dessus : chemin optique de type croisé/chemin optique de type étendu (type M).
En plus des caillebotis plats, il existe également des caillebotis concaves.Le réseau concave Blaze peut être compris comme une combinaison d’un miroir concave et d’un réseau.Par conséquent, un spectromètre à réseau de flamme concave se compose uniquement d’une fente, d’un réseau de flamme concave et d’un détecteur, ce qui lui confère une grande stabilité.Cependant, le réseau de flammes concave impose des exigences en matière de direction et de distance de la lumière diffractée incidente, limitant ainsi les options disponibles.
Ci-dessus : spectromètre à réseau concave.
Heure de publication : 26 décembre 2023