Article 2 : Qu'est-ce qu'un spectromètre à fibre optique, et comment choisir la fente et la fibre appropriées ?
Les spectromètres à fibre optique représentent actuellement la classe prédominante de spectromètres.Cette catégorie de spectromètre permet la transmission de signaux optiques via un câble à fibre optique, souvent appelé cavalier à fibre optique, ce qui facilite une flexibilité et une commodité accrues dans l'analyse spectrale et la configuration du système.Contrairement aux grands spectromètres de laboratoire conventionnels équipés de distances focales allant généralement de 300 mm à 600 mm et utilisant des réseaux de balayage, les spectromètres à fibre optique utilisent des réseaux fixes, éliminant ainsi le besoin de moteurs rotatifs.Les distances focales de ces spectromètres sont généralement de l'ordre de 200 mm, ou peuvent être encore plus courtes, jusqu'à 30 mm ou 50 mm.Ces instruments sont très compacts et sont communément appelés spectromètres miniatures à fibre optique.
Spectromètre à fibre miniature
Un spectromètre à fibre optique miniature est plus populaire dans les industries en raison de sa compacité, de sa rentabilité, de ses capacités de détection rapide et de sa flexibilité remarquable.Le spectromètre à fibre optique miniature comprend généralement un miroir concave à fente, un réseau, un détecteur CCD/CMOS et un circuit de commande associé.Il est connecté au logiciel de l'ordinateur hôte (PC) via un câble USB ou un câble série pour compléter la collecte de données spectrales.
Structure du spectromètre à fibre optique
Le spectromètre à fibre optique est équipé d'un adaptateur d'interface fibre qui fournit une connexion sécurisée pour la fibre optique.Les interfaces fibre SMA-905 sont utilisées dans la plupart des spectromètres à fibre optique, mais certaines applications nécessitent des interfaces FC/PC ou des interfaces fibre non standard, telles que l'interface fibre multicœur cylindrique de 10 mm de diamètre.
Interface fibre SMA905 (noire), interface fibre FC/PC (jaune).Il y a un emplacement sur l'interface FC/PC pour le positionnement.
Le signal optique, après avoir traversé la fibre optique, va d'abord passer par une fente optique.Les spectromètres miniatures utilisent généralement des fentes non réglables, dont la largeur est fixe.Tandis que le spectromètre à fibre optique JINSP propose des largeurs de fente standard de 10 μm, 25 μm, 50 μm, 100 μm et 200 μm dans diverses spécifications, et des personnalisations sont également disponibles en fonction des besoins des utilisateurs.
La modification des largeurs de fente peut généralement avoir un impact sur le flux lumineux et la résolution optique, ces deux paramètres présentant une relation de compromis.Plus la largeur de la fente est étroite, plus la résolution optique est élevée, mais au détriment d'un flux lumineux réduit.Il est essentiel de noter que l’expansion de la fente pour augmenter le flux lumineux a des limites ou n’est pas linéaire.De même, la réduction de la fente a des limites sur la résolution réalisable.Les utilisateurs doivent évaluer et sélectionner la fente appropriée en fonction de leurs besoins réels, par exemple en donnant la priorité au flux lumineux ou à la résolution optique.À cet égard, la documentation technique fournie pour les spectromètres à fibre optique JINSP comprend un tableau complet corrélant les largeurs de fente avec leurs niveaux de résolution correspondants, servant de référence précieuse pour les utilisateurs.
Un écart étroit
Tableau de comparaison des résolutions de fente
Les utilisateurs, lors de la configuration d'un système spectromètre, doivent choisir les fibres optiques appropriées pour recevoir et transmettre les signaux vers la position de la fente du spectromètre.Trois paramètres importants doivent être pris en compte lors de la sélection des fibres optiques.Le premier paramètre est le diamètre du noyau, qui est disponible dans une gamme de possibilités comprenant 5 μm, 50 μm, 105 μm, 200 μm, 400 μm, 600 μm et des diamètres encore plus grands au-delà de 1 mm.Il est important de noter que l’augmentation du diamètre du cœur peut améliorer l’énergie reçue à l’extrémité avant de la fibre optique.Cependant, la largeur de la fente et la hauteur du détecteur CCD/CMOS limitent les signaux optiques que peut recevoir le spectromètre.Ainsi, augmenter le diamètre du noyau n’améliore pas nécessairement la sensibilité.Les utilisateurs doivent choisir le diamètre de noyau approprié en fonction de la configuration réelle du système.Pour les spectromètres B&W Tek utilisant des détecteurs CMOS linéaires dans des modèles tels que SR50C et SR75C, avec une configuration de fente de 50 μm, il est recommandé d'utiliser une fibre optique de 200 μm de diamètre de cœur pour la réception du signal.Pour les spectromètres équipés de détecteurs CCD à zone interne dans des modèles tels que SR100B et SR100Z, il peut être approprié d'envisager des fibres optiques plus épaisses, telles que 400 μm ou 600 μm, pour la réception du signal.
Différents diamètres de fibres optiques
Signal fibre optique couplé à la fente
Le deuxième aspect concerne la plage de longueurs d’onde de fonctionnement et les matériaux des fibres optiques.Les matériaux de fibres optiques comprennent généralement des fibres à haute teneur en OH (haute teneur en hydroxyle), à faible teneur en OH (faible hydroxyle) et résistantes aux UV.Différents matériaux ont des caractéristiques de transmission de longueur d'onde différentes.Les fibres optiques High-OH sont généralement utilisées dans la gamme de la lumière ultraviolette/visible (UV/VIS), tandis que les fibres Low-OH sont utilisées dans la gamme du proche infrarouge (NIR).Pour la gamme ultraviolette, des fibres spéciales résistantes aux UV doivent être envisagées.Les utilisateurs doivent choisir la fibre optique appropriée en fonction de leur longueur d'onde de fonctionnement.
Le troisième aspect est la valeur d'ouverture numérique (NA) des fibres optiques.En raison des principes d'émission des fibres optiques, la lumière émise par l'extrémité de la fibre est confinée dans une certaine plage d'angle de divergence, caractérisée par la valeur NA.Les fibres optiques multimodes ont généralement des valeurs NA de 0,1, 0,22, 0,39 et 0,5 comme options courantes.En prenant comme exemple le 0,22 NA le plus courant, cela signifie que le diamètre du point de la fibre après 50 mm est d'environ 22 mm et qu'après 100 mm, le diamètre est de 44 mm.Lors de la conception d'un spectromètre, les fabricants envisagent généralement de faire correspondre le plus fidèlement possible la valeur NA de la fibre optique afin de garantir une réception d'énergie maximale.De plus, la valeur NA de la fibre optique est liée au couplage des lentilles à l'extrémité avant de la fibre.La valeur NA de la lentille doit également être aussi proche que possible de la valeur NA de la fibre pour éviter la perte de signal.
La valeur NA de la fibre optique détermine l'angle de divergence du faisceau optique
Lorsque des fibres optiques sont utilisées conjointement avec des lentilles ou des miroirs concaves, la valeur NA doit être aussi proche que possible pour éviter toute perte d'énergie.
Les spectromètres à fibre optique reçoivent la lumière sous des angles déterminés par leur valeur NA (Numerical Aperture).Le signal incident sera pleinement utilisé si la NA de la lumière incidente est inférieure ou égale à la NA de ce spectromètre.La perte d'énergie se produit lorsque la NA de la lumière incidente est supérieure à la NA du spectromètre.En plus de la transmission par fibre optique, le couplage optique en espace libre peut être utilisé pour collecter des signaux lumineux.Cela implique de faire converger la lumière parallèle vers une fente à l’aide de lentilles.Lors de l'utilisation de chemins optiques en espace libre, il est important de choisir des lentilles appropriées avec une valeur NA correspondant à celle du spectromètre, tout en garantissant que la fente du spectromètre est positionnée au foyer de la lentille pour obtenir un flux lumineux maximal.
Couplage optique en espace libre
Heure de publication : 13 décembre 2023