Самодельные оптические спектрометры— не такая уж и оригинальная тема. Можно сделать самому спектрометр на основе камеры смартфона и кусочка CD-диска, используемого в качестве дифракционной решетки. В интернете множество статей о том как сделать такой спектрометр и стоить будет совсем недорого.
Однако, камеры на базе кремниевых сенсоров (КМОП-сенсоры) позволяют работать в оптическом диапазоне до ~1100нм, что обусловлено физикой — ширина запрещенной зоны кремния составляет ~1.7эВ, соответственно, не получится образовать электронно-дырочные пары длиной волны больше ~1100нм. Более распространенный вариант — арсенид галлия-индия (InGaAs), его запрещенная зона может варьироваться до ~0.4эВ, в зависимости от пропорции индий-галлий.
Навряд ли вам стоит знать сколько стоит камера с матрицей на основе InGaAs... Пока камеры на основе кремниевых чипов стоят буквально копейки, одномерная камера на InGaAs (фотоприемная линейка) уже достигает в цене несколько тысяч долларов. Любой полноценный ИК-спектрометр стоит еще намного больше, с своим модным термоэлектрическим охлаждением и высокоточной решеткой (у нас в лаборатории кстати есть такая). Основная причина такой стоимости заключается и в целевой группе: это ученые-исследователи, а не рядовой потребитель.
Вообще в качестве хобби автор интересуется лазерной оптикой и давно хотел собрать лазерную систему своими руками, вот только нужен способ анализировать то излучение, что получается из кристаллов. Однажды автор попытал счастье в поисках InGaAs-фотодиода на DigiKey, и оказалось, что такой фотодиод можно приобрести примерно за 20 долларов! Понятно, что это раз в сто дороже, чем кремниевый фотодиод, однако, и одного фотодиода достаточно, чтобы собрать собственноручно спектрометр. Представляю вашему вниманию: ИК-спектрометр с волоконным вводом, который измеряет спектр в диапазоне 800-1600нм.
Разработка
Спектрометр состоит из четырех базовых элементов:
Щелевой ввод.
Дифрагирующий элемент.
Светочувствительный элемент.
Сопутствующая оптика, объединяющая всё это.
В нашем случае щелевой ввод осуществляется при помощи оптического волокна. В данном проекте используется многомодовое волокно с толщиной сердцевины 50мкм, как компромисс между количеством вводимого света и разрешения. Подходящий патчкорд можно найти сейчас на любой площадке за доступную сумму.
В качестве дифрагирующего элемента обычно используют решетку. Крайне важно выбрать решетку с правильной плотностью штрихов для получения необходимой дисперсии в соответствии с порядком дифракции. Для диапазона длин волн этого проекта подойдет плотность в 600 штрихов на мм: в диапазоне от 800 до 1600нм это даст дисперсию в 40 градусов. Ниже можно посмотреть как выглядит угол дифракции для излучения, падающего под углом 50 градусов на решетку с 600 штрихами на мм. Второй и третий порядок дифракции не получится анализировать, поскольку они пересекаются с отраженным излучением:
Следующим на очереди идет светочувствительный элемент. Как детектировать свет в диапазоне углов с помощью буквально одного пикселя, представленного в виде фотодиода? Мы можем смонтировать фотодиод на подвижку с мотором и сканировать соответствующий диапазон! Для этого в проекте использована линейная подвижка с Амазона за $50. Небольшая платформа удобна, а разрешение шага линейки в 5мкм более чем достаточно для нашего спектрального разрешения.
Активная зона указанного фотодиода имеет размер 1мм в диаметре, в то же время "изображение" в 50мкм из волокна будет немного меньше. Чтобы не терять в спектральном разрешении на фотодиод просто наклеена алюминиевая "маска" из скотча, чтобы вход фотодиода сделать уже шириной примерно 0.3мм.
Наконец, необходима дополнительная оптика для того, чтобы подружить все компоненты. Оказывается, для высокого спектрального разрешения и низких оптических потерь нужны специфичные и дорогие компоненты. По существу, начиная со входа излучения (которое мы рассматриваем как точечный излучатель) нам необходимо:
расфокусировать излучение в параллельный пучок;
направить пучок на решетку;
сфокусировать дифрагировавший пучок (который практически параллелен для каждого "цвета") на приемник.
Одной из стандартных схем для такого случая является монохроматор на зеркалах по схеме Черни-Тернера. Использование зеркал вместо линз позволяет минимизировать хроматические аберрации так, что все длины волн будут сфокусированы на одной плоскости. Однако, юстировка такой схемы — это головная боль, требующая реальных оптических столов, что выходит уже за пределы хобби. Поэтому здесь будут использована другая схема с более доступными и простыми элементами для хобби.
Первый шаг — расфокусирование волоконного вывода в параллельный пучок — может быть решен при помощи волоконного коллиматора. В своей основе это линза, фокус которой сориентирован на сердцевину оптического волокна.
На одном конце коллиматора уже доступен стандартный разъем SMA905 для волоконного патчкорда. Другой конец дает нам параллельный пучок излучения. Очень простое изделие!
Тем не менее, коллиматор имеет хроматические аберрации, поэтому только излучение на длине волны, для которой это изделие выполнено (в нашем случае для 980нм), будет по-настоящему коллимировано. Более короткие длины волн будут сходиться, а короткие расходиться. К счастью, уровень дисперсии вполне терпимый и может быть в дальнейшем скорректирован путем оптимизации расположения фотодиода.
Волоконный коллиматор не такая уж и дешевая вещь — на сайте Thorlabs продается за $160. Найти более доступный аналог вполне можно и на других сайта, в этом проекте повезло найти на eBay пару коллиматоров по $70 за каждый.
Следующий шаг — направить излучение на дифракционную решетку. Выполнить это несложно, достаточно иметь хорошее зеркало с серебряным покрытием. И в этой задаче помог eBay с зеркалом за $25, в то время как на сайте Thorlabs такое зеркало доступно за $35. Полагаю, что любое хорошее зеркало, которое у вас будет, скорее всего сработает, но не используйте диэлектрические зеркала, разработанные для видимого диапазона излучений, они скорее всего не подойдут для нашего ИК-диапазона.
Наконец, последний элемент оптики — линза/зеркало для перефокусировки дифрагировавшего излучения на фотодиод. Наш пучок представляет имеет размер 2мм диаметром для каждого цвета. Для упрощения схемы выбрано использование цилиндрической линзы, чтобы сфокусировать излучение в плоскости дифракции. Из этого следуют два плюса:
Сфокусированное излучение представит собой ~0.5мм шириной и ~2мм высотой. Это упрощает задачу юстировки фотоприемника
Прямоугольная форма цилиндрической легче в монтаже, чем сферическая линза: хватит и двухстороннего скотча!
Оптический дизайн представлен на изображении ниже, совместно с оценкой распространения излучения с применением ПО Optometrika
Расположение цилиндрической линзы (угол и место) влияет на точку фокуса для различных длин волн. Решить эту проблему можно просто методом проб и ошибок. На самом деле толерантность системы оказывается довольно большой, поскольку длина фокуса гораздо больше чем размер пучка.
Теоретическое разрешение такой системы (не учитывая аберраций) может быть оценено на базе параметров компонентов схемы. Увеличение в оптическом тракте 150/11=13.6 раз. Для увеличения есть три возможности:
Оптический ввод: 50мкм дает картинку 0.05х13.6=0.68мм на "экране". Это соответствует 6нм расширению в длинах волн.
Решетка: конечный диаметр пучка на решетке ограничивает спектральное разрешение. Разрешающая мощность решетки (используя только первый порядок) соответствует количеству штрихов. Пучок в 2мм дает разрешение в 1200, соответственно в длинах волн это дает ~1нм.
Выходная щель: щель на фотодиоде дает отклик шириной порядка 3нм
Как вы можете заметить, слабое место схемы — коллиматор, а точнее, волоконный ввод. Для улучшения ситуации без избавления от волокна можно рассмотреть более дорогой коллиматор с большей линзой (что значительно дороже), у которой фокусное расстояние больше, что негативно повлияет на увеличение в оптическом тракте. По итогу использование ранее описанного ввода позволило достичь измерения в 3-4нм на полуширине (FWHM) при излучении 1000нм и 5-6нм при 1500нм, что более чем достаточно.
Действительно, разрешение получилось чертовски отличным, учитывая простоту! Для сравнения, спектрометр с точно таким же оптическим вводом от Edmind Optics позволяет измерять с разрешением 4нм, а спектрометр от Ocean Insight имеет номинальную полуширину 10нм. Для справки, продаются они за ~$12,000 и ~$8,000 соответственно.
Сборка
Сердцем спектрометра является дифракционная решетка, которая дифрагирует излучение под различными углами в зависимости от длины волны. Вместо CD-диска, здесь используется реальная дифракционная решетка с профилем в виде пилы (blazed reflective grating), она доступна у Thorlabs за $70. Параметры решетки: 600 штрихов на мм, 12.7x12.7мм.
На изображении видно как реализован монтаж решетки путем зажатия её.
Электрическая составляющая заключается в основном в трансимпедансном усилителе и 24-битном АЦП. Усилитель собран на AD8656, имеющих низкие шумы и низкий ток смещения. Используя большой резистор усиления схема позволяет конвертировать каждый пикоампер в 100мкВ! Схема работает с фотодиодом в режиме нулевого смещения, чтобы избавиться от темнового тока. После этого, сигнал попадает на AD7793, точный низкошумящий АЦП с цифровой фильтрацией. скорость потока данных программируема, на самой низкой скорости (4.17Гц) доступен наименьший шум в 40нВ, что незначительно на фоне остальных источников шума.
Одна из основных проблем схемы — схема питания, которая использует 5В от USB. Питание по USB хорошо известно за его флуктуации и пульсации от ПК. Чтобы попробовать обойти данную проблему, использовался наилучший линейный регулятор на рынке — LT3042 от Analog Devices. Этот чип известен своим невероятно высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR) более 100дБ.
Данная схема довольно уязвима ко всяким емкостным связям с окружающим миром, особенно человеком, замечательно дающим 60Гц... В основном это связано с высоким импедансом входных операционников. Электростатическое экранирование (не ЭМИ) крайне важно для такой схемы. Подходящим решением является обернуть все заземленной алюминиевой фольгой/скотчем, а еще лучше использовать фотодиод подключенный к коаксиалу, который ведет в плату с двойным заземлением.
При изоляции от внешних воздействий остается три источника шума внутри:
Фотодиод
Усилитель
резистор обратной связь
На частотах измерения (1-100Гц) шум в полосе 1/f, что довольно трудно убрать осреднением. согласно документации шум в полосе 0.1-10Гц составляет 0.3мкВ, что соответствует 3фА на входе. резистор и фотодиод влияют на сигнал через тепловой шум, который вносит 13фА/√Гц и 9фА/√Гц (допуская сопротивление шунта 200МОм) при комнатной температуре. Если мы измеряем на самой низкой частоте 4.17Гц, шум может быть оценен как СКО сумм этих величин, 30фА соответственно.
Для сравнения, так выглядит сигнал фотоприемника без излучения, СКО такого сигнала составляет 18фА, что означает, что ограничение схемы — это тепловые шумы системы. Дальнейшие улучшения уже требуют использовать жидкий азот!
Вот несколько фотографий сборки:
На этой фотографии видно все компоненты ИК-спектрометра. Питание (5В 2А) подключено слева на стенке, плата контроллера сверху, а плата фотоприемник установлена на подвижку.
Так выглядит плата контроллера — STM32 Nucleo и зеленая плата — драйвер шагового двигателя.
Так выглядит плата фотоприемника с низкошумящим регулятором, АЦП и трансимпедансным усилителем, описанным выше. Обратите внимание на экранирующую ленту вокруг усилителя. Очень важно для низкого уровня шумов! Сам фотодиод находится на маленькой части платы под шаговым двигателем. На этой фотографии перед фотодиодом алюминиевая пленка, который служит щелью, сделанной из лезвий бритвы. Позже они были заменены на два куска черной изоленты прямо на переднюю часть фотодиода, поскольку судя по всему решение с лезвиями слишком далеко от фотодиода, снижая пропускную способность на больших углах падения.
Увеличенное фото волоконного ввода, прикрученного к корпусу.
Характеристики
Для проверки характеристик спектрометра, необходим источник оптического излучения с известными параметрами длины волны и ширины линий спектра. Для грубой оценки была использована зеленая лазерная указка на 505нм, второй порядок отражения которой должен попадать туда же, куда попадет излучение первого порядка на 1010нм. Для преобразования от положения фотоприемника в длины волн необходима калибровка. Обычно это ртутная лампа или аргон-неоновая калибровочная лампа, поскольку у них есть несколько яркий и точных спектральных линий в близком ИК-диапазоне. Однако, такие лампы довольно дорогие. Альтернативным вариантом можно воспользоваться газовыми трубками из лаборатории физики, но эти трубы требуют БП с поддержкой высокого напряжения.
Позже было выяснено, что обычная настольная лампа идеально подходит как источник для калибровки. Будьте бдительны — это должна быть флуоресцентная лампа, а не светодиодная или лампа накаливания. Флуоресцентная лампа подходит тем, что в ней есть пары ртути и некоторое количество инертного газа, который под действием электричества излучает в основном ультрафиолет, который с помощью фосфорного покрытия конвертируется в видимый свет. Однако, нейтральная ртуть имеет набор резких спектральных линий на 436, 543, 546, 1014, 1357, 1367, и 1530 нм! Последние четыре длины волны отлично подходят для калибровки. Более того, видимо настольная лампа содержит аргон, который имеет полосы в диапазоне 800-1000нм.
Процедура калибровки очень проста: мы берем спектр (связку интенсивность-расстояние), определяем линии и находим соответствие позиции и длине волны для этих линий. Затем интерполяция гладко соединяет эти ключевые точки между собой, чтобы любая позиция могла быть преобразована в длину волны. Пример полученного измерения на базе настольной лампы на рисунке ниже.
Довольно неплохо, не правда ли? При попытке выравнивания цилиндрической линзы удалось получить довольно острый пик на 1014нм (полуширина ~3нм), при этом имея соответствующее разрешение в длинноволновом диапазоне (полуширина 5-6нм на 1500нм). В целом, довольно удовлетворительное спектральное разрешение, с учетом объемов вложений.
Следующий шаг — это калибровка функции спектрального отклика, то есть амплитуды на единицу света для разной длины волны. Эта калибровка может проводиться не так строго, поскольку ошибка порядка 10% в абсолютной шкале не так критична (для измерений отражений/пропусканий это уже довольно много). Используя галогеновую лампу за $10 в качестве АЧТ можно откалибровать аппаратную функцию.
После этих действий можно уже посмотреть на что-то более интересное! К примеру, на базе подобной установки (волоконный иллюминатор) можно посмотреть спектры пропуская различных фильтров и кристаллов. Схема для измерения выглядит следующим образом
Щель и линза создают излучение с расхождением ~2 градуса с возможностью изменения диаметра излучения. На другом конце установки тот же коллиматор, что и в спектрометр. фильтр, пропускающий длины волн больше чем 790нм установлен прямо перед коллиматором — для предотвращения дифракции второго порядка от видимого света. С подобной установкой можно измерить любой плоский элемент. Измерение таких элементов, как линза, уже более сложные и требуют дополнительного оборудования.
Так, к примеру, выглядит спектр пропускания кристалла YAG легированного Nd (кристалл 2x2x10мм, легирование 1%), такие кристаллы часто встречаются в твердотельных лазерах.
На этой кривой видна фоновая засветка (кажется это противоотражающее покрытие для 1310нм) и острый пик поглощения в кристалле Nd:YAG. Свет на длине волны 808нм поглощается кристаллом (именно для такой длины волны используются подобные кристаллы).
Так случилось, что под рукой оказался диод накачки на 808нм, поэтому можно посмотреть спектр флуоресценции. Диод управляется током, который производит примерно 100мВт излучения на 808нм.
Так выглядит график интенсивности в логарифмической шкале. Виден явно пик на 1064 и другие линии излучения: на 946, 1116, 1319, 1338, 1357, 1414, 1431, и 1444 нм. Такой спектр позволяет нам оценить динамический диапазон спектрометра. На этих настройках (усиление 16, временная постоянная 1/8.33Гц) максимальный измеренный сигнал 800пА, шумы получены на 0.2пА. Таким образом получен динамический диапазон 4,000:1 или 72дБ. динамический диапазон можно поднять до 100,000:1 если использовать большую временную постоянную и меньшее усиление.
Вот в целом и все, надеюсь эта статья оказалась полезной и вы тоже захотели построить свой ИК-спектрометр без необходимости потратить $10,000!
