Norint sužinoti, kokį spalvų spektrą skleidžia tam tikra lemputė namuose, reikės naudoti prietaisą, vadinamą spektrometru. Gamykliniai modeliai yra labai brangūs, todėl galite pagaminti naminį variantą iš improvizuotų medžiagų. Jį pagaminti labai paprasta, nes šiuo atveju ypatingo tikslumo nereikia.

Pagrindiniai darbo etapai

Primityviausia spektrometro versija gali būti pagaminta iš storo popieriaus arba kartono. Tačiau atkreipkite dėmesį, kad korpuso vidus turi būti tamsus, kad neatsispindėtų, o sugertų šviesą. Šiuo tikslu galite naudoti įprastą juodą žymeklį (tai yra, jums tiesiog reikia dažyti ant kartono).

Norint gauti skleidžiamos šviesos spektrą, taip pat reikės difrakcijos gardelės, kurią geriausia padaryti iš optinio DVD. Jums tereikia iš kompaktinio disko iškirpti stačiakampio formos gabalėlį, tada atskirti plokštes. Difrakcinei gardelei reikalingas skaidrus sluoksnis.

Priklijuokite stačiakampę plokštę prie kartono, o tada priklijuokite patį korpusą. Naminis spektrometras veikia labai paprastai – tiesiog nukreipkite jį į šviesos šaltinį namuose ir pažiūrėkite į skaidrią plokštelę, iškirptą iš DVD. Jei prie jo atsiremsite išmaniojo telefono kamerą, galėsite nufotografuoti ir jomis analizuoti konkrečios lemputės spektrą.

Spektrometras su vaizdo kamera

Visgi tenka pripažinti, kad fotografuoti išmaniuoju telefonu nėra labai patogu. Geriausia stebėti šviesos šaltinį realiu laiku. Norėdami tai padaryti, vietoj išmaniojo telefono „akies“ prie plokštės reikia atremti įprastą kompiuterio internetinę kamerą.

Dabar savo rankomis surinksime dvi difrakcijos spektroskopo versijas. Spektroskopas yra prietaisas, leidžiantis tirti šviesos spektrą, praskiedus jo spektrinius komponentus išilgai tam tikros ašies. Šviesa gali būti suskirstyta į monochromatines bangas arba pagal dispersijos reiškinį, arba pagal difrakciją. Šiuo atveju naudosime difrakciją, nes po ranka turime puikią difrakcijos grotelę - kompaktinį diską!

Mums reikės nedidelės kartoninės dėžutės, kompaktinio disko, klijų, nepermatomo vamzdelio okuliarui.

Iškirpkite kompaktinio disko gabalėlį žirklėmis, kad tilptų į dėžutę:

Pažymėkime langelį, kad okuliaras būtų tinkamai sumontuotas. Iš optikos žinome, kad kritimo kampas yra lygus atspindžio kampui. Bet tokiu būdu matysime langą, pro kurį prasiskverbs šviesa, o ne difrakcijos maksimumus, todėl paliksime vietą į dešinę nuo būsimo lango linijos.

Tada, uždarę dėžutę, parinksime tinkamą vietą šviesai įvesti. Norėdami tai padaryti, mes atsargiai pradursime skylę ir stebėsime per okuliarą. Jei okuliare matome tiesiogiai atsispindėjusią šviesą, tada skylę užsandariname ir šiek tiek toliau praduriame naują. Ir taip toliau, kol okuliare bus matoma daug spalvotų taškų, išdėstytų išilgai linijos. Tada iškirpkite pro langą:

Ant lango sumontuosime dviejų skutimosi peiliukų lengvą peilį – kad į dėžę patektų siauriausias šviesos spindulys – taip pamatysime kuo aiškesnį vaizdą.

Jei viskas pasiteisino, okuliare pamatysime atskirtą spektrą. Jei spektras nėra tęstinis (pavyzdžiui, iš LDS ar dujų išlydžio lempų), pamatysime linijų rinkinį. Kiekviena eilutė yra vienspalvis komponentas. Nuotraukoje viršutinė linija iš tikrųjų yra sodrios violetinės spalvos, tik fotoaparatas iškraipė spalvą.

Antras variantas

Padarykime miniatiūrinį spektroskopą, kuris veiktų skleidžiamoje šviesoje. Norėdami tai padaryti, iškirpkite kompaktinį diską kaip ir pirmoje parinktyje.

Draugai, artėja penktadienio vakaras, tai nuostabus intymus metas, kai po viliojančios prieblandos priedanga gali gauti spektrometrą ir visą naktį matuoti kaitrinės lempos spektrą iki pirmųjų tekančios saulės spindulių, o kai saulė teka, išmatuokite jos spektrą.
Kaip jūs vis dar neturite savo spektrometro? Nesvarbu, pasinerkime ir ištaisykime šį nesusipratimą.
Dėmesio! Šis straipsnis nepretenduoja į visavertę pamoką, bet galbūt per 20 minučių po jo skaitymo išskaidysite savo pirmąjį spinduliuotės spektrą.

Žmogus ir spektroskopas

Pasakysiu tokia tvarka, kokia pati perėjau visus etapus, galima sakyti, nuo blogiausio iki geriausio. Jei kas nors iš karto siekia daugiau ar mažiau rimto rezultato, pusę straipsnio galima saugiai praleisti. Na, o žmonėms su kreivomis rankomis (kaip mano) ir tiesiog smalsiems bus įdomu nuo pat pradžių paskaityti apie mano išbandymus.
Internete yra pakankamai medžiagos, kaip iš improvizuotų medžiagų savo rankomis surinkti spektrometrą / spektroskopą.
Norint įsigyti spektroskopą namuose, paprasčiausiu atveju prireiks nemažai – CD/DVD ruošinio ir dėžutės.
Ši medžiaga paskatino mane atlikti pirmuosius spektro tyrimo eksperimentus – Spektroskopiją

Tiesą sakant, autoriaus darbo dėka, pirmąjį savo spektroskopą surinkau iš DVD disko pralaidžios difrakcijos grotelių ir kartoninės arbatos dėžutės, o dar prieš tai – tankų kartono gabalą su plyšiu ir pralaidžiomis grotelėmis iš DVD ruošinio. man pakako.
Negaliu sakyti, kad rezultatai buvo stulbinantys, bet pavyko gauti pirmuosius spektrus, stebuklingai išsaugotas proceso nuotraukas po spoileriu

Fotospektroskopai ir spektras

Pats pirmasis variantas su kartono gabalėliu

Antras variantas su arbatos dėžute

Ir užfiksuotas spektras

Vienintelis dalykas mano patogumui, jis modifikavo šį dizainą su USB vaizdo kamera, jis pasirodė taip:

spektrometro nuotrauka

Iš karto turiu pasakyti, kad ši modifikacija išgelbėjo mane nuo būtinybės naudotis mobiliojo telefono kamera, tačiau buvo vienas trūkumas: fotoaparato nepavyko sukalibruoti pagal Spectral Worckbench paslaugos nustatymus (apie tai bus aptarta toliau). Todėl aš negalėjau užfiksuoti spektro realiu laiku, tačiau buvo visiškai įmanoma atpažinti jau surinktas nuotraukas.

Tarkime, kad nusipirkote arba surinkote spektroskopą pagal aukščiau pateiktas instrukcijas.
Po to susikurkite paskyrą PublicLab.org projekte ir eikite į SpectralWorkbench.org paslaugos puslapį Toliau aprašysiu spektro atpažinimo techniką, kurią naudojau pats.
Pirmiausia turėsime sukalibruoti savo spektrometrą. Norėdami tai padaryti, turėsite nufotografuoti fluorescencinės lempos spektrą, geriausia didelės lubinės lempos, bet tiks ir energiją taupanti lempa.
1) Paspauskite mygtuką Užfiksuoti spektrus
2) Įkelti paveikslėlį
3) Užpildykite laukus, pasirinkite failą, pasirinkite naują kalibravimą, pasirinkite įrenginį (galite pasirinkti mini spektroskopą arba tiesiog individualų), pasirinkite, kurį spektrą turite, vertikalų ar horizontalų, kad būtų aišku, kad spektrai ankstesnės programos ekrano kopija yra horizontali
4) Atsidarys langas su grafikais.
5) Patikrinkite, kaip pasuktas jūsų spektras. Mėlynas diapazonas turi būti kairėje, raudonas - dešinėje. Jei taip nėra, pasirinkite daugiau įrankių – apvertimo horizontaliai mygtuką, po kurio matome, kad vaizdas pasisuko, o grafikas ne, todėl spaudžiame daugiau įrankių – iš naujo ištraukite iš nuotraukos, visos smailės vėl atitinka tikras smailes. .

6) Paspauskite mygtuką Kalibruoti, paspauskite Pradėti, pasirinkite mėlyną smailę tiesiai diagramoje (žr. ekrano kopiją), paspauskite LMB ir vėl atsidarys iššokantis langas, dabar reikia paspausti baigti ir pasirinkti paskutinę žalią smailę, po kurios puslapis bus atnaujintas ir gausime kalibruoto bangos ilgio vaizdą.
Dabar galite pildyti kitus tiriamus spektrus, prašydami kalibruoti, turite nurodyti grafiką, kurį jau kalibravome.

Ekrano kopija

Sukonfigūruotos programos tipas

Dėmesio! Kalibruojant daroma prielaida, kad ateityje fotografuosite tuo pačiu įrenginiu, kuris kalibravo vaizdo raiškos įrenginio pokytį, stiprus spektro poslinkis nuotraukoje, palyginti su kalibruoto pavyzdžio padėtimi, gali iškraipyti matavimo rezultatus.
Sąžiningai, aš šiek tiek pataisiau savo nuotraukas redaktoriuje. Jei buvo foninis apšvietimas, tamsinau aplinką, kartais šiek tiek pasukau spektrą, kad gaučiau stačiakampį vaizdą, bet dar kartą kartoju failo dydį ir paties spektro vaizdo centro vietą geriau nekeisti. .
Su kitomis funkcijomis, tokiomis kaip makrokomandos, automatinis ar rankinis ryškumo reguliavimas, siūlau tai išsiaiškinti patiems, mano nuomone, jos nėra tokios kritiškos.
Gauti grafikai patogiai perkeliami į CSV, o pirmasis skaičius bus trupmeninė (tikriausiai trupmeninė) ilgoji banga, o vidutinė santykinė spinduliuotės intensyvumo reikšmė bus atskirta kableliu. Gautos vertės gražiai atrodo grafikų, sukurtų, pavyzdžiui, „Scilab“, pavidalu

SpectralWorkbench.org turi programėlių išmaniesiems telefonams. Aš jų nenaudojau. todėl negaliu to įvertinti.

Spalvingos dienos visomis vaivorykštės draugų spalvomis.

Ankstesniuose straipsniuose aprašiau, kaip išbandžiau įvairius šviesos diodus augalams. Norėdami išanalizuoti spektrą, aš paėmiau iš pažįstamo fizikos mokytojo.

Bet tokio prietaiso poreikis atsiranda periodiškai ir po ranka norėtųsi turėti spektroskopą, o dar geriau – spektrometrą.

Mano pasirinkimas – juvelyrinis spektroskopas su difrakcine gardele

Kadaise buvo skirtas juvelyrams, tada komplekte buvo „odinis“ dėklas

Spektroskopo dydis yra mažas

Kas dar buvo aišku iš parduotuvės aprašymo
Viskas sandariai surinkta, todėl nebus išardyta.
Taip pat patikėkime, kad vienoje vamzdžio pusėje yra objektyvo lęšis, kitoje – difrakcijos grotelės ir apsauginis stiklas.

O viduje graži vaivorykštė. Daug ja žavėjęsis, jis ėmė dairytis, bet kaip būtų žiūrėti į spektrą.
Deja, spektroskopas negalėjo būti naudojamas pagal paskirtį, nes visa mano deimantų ir brangakmenių kolekcija apsiribojo vestuviniu žiedu, kuris yra visiškai nepermatomas ir neduoda jokio spektro. Na, išskyrus degiklio liepsną))).
Tačiau gyvsidabrio fluorescencinė lempa nuoširdžiai suteikė daug gražių juostelių. Iki širdies gelmių susižavėjęs įvairiais šviesos šaltiniais, mane suglumino klausimas, kaip pataisyti paveikslėlį ir išmatuoti spektrą.

Šiek tiek pasidaryk pats

Fotoaparato tvirtinimo nuotrauka jau seniai sukosi galvoje, o po stalu stovėjo dar ne naujausias modernizavimas, bet gana sėkmingai susitvarkęs su PVC plastiku.

Dizainas nėra labai gražus. Nepaisant to, aš nelaimėjau X ir Y atsako iki galo. Nieko Rutuliniai sraigtai jau surinkti ir laukia atraminių linijinių bėgių.

Tačiau funkcionalumas pasirodė gana priimtinas, kad vaivorykštė būtų rodoma sename „Canon“, kuris ilgą laiką buvo nenaudojamas.

Tiesa, čia ir nusivyliau. Graži vaivorykštė tapo kažkaip diskretiška.

Kalta viskas – bet kokios kameros ir fotoaparato RGB matrica. Pažaidęs su baltos spalvos balanso nustatymais ir fotografavimo režimais, susitaikiau su vaizdu.
Juk šviesos lūžimas nepriklauso nuo to, kokia spalva fiksuoti vaizdą. Spektralinei analizei tiktų ir nespalvota kamera, kurios jautrumas vienodesnis per visą matavimo diapazono plotį.

Spektrinės analizės metodas.

Per bandymus ir klaidas aš sugalvojau šią techniką.
1. Nubraižytas matomos šviesos diapazono (400-720nm) skalės paveikslas, jame nurodytos pagrindinės gyvsidabrio linijos kalibravimui.

2. Imami keli spektrai, visada su etaloniniu gyvsidabriu. Kadrų serijoje reikia fiksuoti spektroskopo padėtį ant objektyvo, kad horizontaliai kadrų serijoje būtų išvengta spektro poslinkio.

3. Grafinėje redagavimo priemonėje skalė sureguliuojama taip, kad ji atitiktų gyvsidabrio spektrą, o visi kiti spektrai yra keičiami be horizontalaus poslinkio redaktoriuje. Pasirodo, kažkas tokio

4. Na, tada viskas iš šio straipsnio yra įtraukta į mobiliojo telefono spektrometro analizatoriaus programą

Techniką tikriname žaliu lazeriu, kurio bangos ilgis žinomas – 532nm

Paaiškėjo, kad klaida yra apie 1%, o tai labai gerai naudojant rankinį gyvsidabrio linijų montavimo ir skalės piešimo beveik ranka metodą.
Pakeliui sužinojau, kad žalieji lazeriai nėra tiesioginė spinduliuotė, kaip raudona ar mėlyna, bet naudoja kietojo kūno diodų siurbimą (DPSS) su krūva antrinės spinduliuotės. Gyvenk ir mokykis!

Raudonojo lazerio bangos ilgio matavimas taip pat patvirtino technikos teisingumą.

Įdomumo dėlei išmatavau žvakės spektrą

ir deginant gamtines dujas

Dabar galite išmatuoti šviesos diodų spektrą, pavyzdžiui, „visą spektrą“ augalams

Spektrometras paruoštas ir veikia. Dabar su jo pagalba paruošiu tokią apžvalgą – skirtingų gamintojų šviesos diodų charakteristikų palyginimą, ar kinai neapgauna ir kaip teisingai pasirinkti.

Trumpai tariant, esu patenkintas rezultatu. Galbūt buvo prasminga prijungti spektroskopą prie internetinės kameros nuolatiniam spektro matavimui, kaip ir šiame projekte

Spektrometro bandymas, kurį atliko mano padėjėjas

Diagramoje: 1 - spinduliuotės šaltinis, 2,4 - kolimuojanti optika, 3 - įvesties diafragma, 5 - fiksuotas veidrodis, 6 - kilnojamas veidrodis, 7 - veidrodžio pavara, 8 - pluošto skirstytuvas, 9 - atskaitos kanalo lazeris, 10 - atskaitos kanalas kanalo fotodetektoriaus kanalas, 11 - fokusavimo optika, 12 - signalo fotodetektorius.

Siekiant stabilizuoti kilnojamojo veidrodžio judėjimo greitį ir užtikrinti spektrometro „prisirišimą“ prie absoliučių bangos ilgių verčių, į spektrometrą įvedamas atskaitos kanalas, susidedantis iš lazerio ir jo fotodetektoriaus (9 ir 12 diagramoje). Lazeris šiuo atveju veikia kaip bangos ilgio standartas. Aukštos kokybės spektrometruose tam naudojami vieno dažnio dujų lazeriai. Dėl to bangų ilgių matavimo tikslumas yra labai didelis.

Furjė spektrometrai turi ir kitų pranašumų, palyginti su klasikiniais spektrometrais.
Svarbi Furjė spektrometrų savybė yra ta, kad naudojant net vieną fotodetektorių, visi spektriniai elementai registruojami vienu metu, o tai suteikia energijos padidėjimą, lyginant su mechaniniu skenavimu po elementą (Felgetto stiprinimas).

Furjė spektrometrams nereikia naudoti optinių plyšių, kurie blokuoja didžiąją dalį šviesos srauto, o tai suteikia didelį šviesumo padidėjimą (Jacquinot stiprinimas).

Furjė spektrometruose nekyla aliasavimo problemos, kaip ir spektrometruose su difrakcinėmis gardelėmis, dėl kurių tiriamos spinduliuotės spektrinis diapazonas gali būti labai platus, nulemtas fotodetektoriaus ir pluošto skirstytuvo parametrų.

Furjė spektrometrų skiriamoji geba gali būti daug didesnė nei tradicinių spektrometrų. Jį lemia judančio veidrodžio eigos skirtumas Δ. Leidžiamas bangų intervalas nustatomas pagal išraišką: δλ = λ^2/Δ

Tačiau yra ir svarbus trūkumas – didelis spektrometro mechaninis ir optinis sudėtingumas. Kad atsirastų trukdžiai, abu interferometro veidrodžiai turi būti labai tiksliai nustatyti vienas kitam statmenai. Tokiu atveju vienas iš veidrodžių turi svyruoti išilgai, tačiau statmenumas turi būti išlaikytas tokiu pat tikslumu. Aukštos kokybės spektrometruose tam tikrais atvejais, siekiant kompensuoti judamojo veidrodžio posvyrį judėjimo metu, pjezoelektrinės pavaros pakreipia fiksuotą veidrodį. Norint gauti informaciją apie esamą polinkį, išmatuojami lazerio atskaitos pluošto parametrai.

Praktika

Visiškai nebuvau tikras, kad namuose galima pasidaryti Furjė spektrometrą, neturint prieigos prie reikalingų mašinų (kaip jau minėjau, mechanika yra sunkiausia spektrometro dalis). Todėl spektrometras buvo gaminamas etapais.

Viena iš svarbiausių spektrometro dalių yra fiksuotas veidrodžio mazgas. Būtent jį reikės sureguliuoti (tolygiai perkelti) surinkimo proceso metu. Reikėjo suteikti galimybę veidrodį pakreipti išilgai dviejų ašių ir tiksliai judinti išilgine kryptimi (kodėl – žemyn), o veidrodis neturėtų pakreipti.

Fiksuoto veidrodžio agregato pagrindas buvo vienos ašies stalas su mikrometriniu varžtu. Aš jau turėjau šiuos mazgus, tereikėjo juos sujungti. Kad ryšys būtų be laisvumo, aš panaudojau paprastą scenos prispaudimą prie mikrometro varžto su spyruokle, esančia scenos pagrindo viduje.

Aš tai padariau naudodamas tris reguliavimo varžtus, paimtus iš sulūžusio teodolito. Metalinė plokštė su klijuotu veidrodžiu spyruoklėmis prispaudžiama prie šių varžtų galų, o patys varžtai tvirtinami metaliniame kampe, prisuktame prie
stalo.

Dizainas aiškus iš nuotraukų:

Galite pamatyti veidrodžio reguliavimo varžtus ir mikrometro varžtą.

Jūs galite pamatyti veidrodį priekyje. Jis paimtas iš skaitytuvo. Svarbi veidrodžio savybė – veidrodinė danga turi būti prieš veidrodį, o tam, kad trukdžių linijos nebūtų kreivos, veidrodžio paviršius turi būti pakankamai kokybiškas.

Vaizdas iš viršaus:

Matosi spyruoklės, spaudžiančios stalą mikrometro varžte ir tvirtinančios plokštę su veidrodžiu prie kampo.

Kaip matote iš nuotraukų, fiksuotas veidrodžio mazgas yra pritvirtintas prie medžio drožlių plokštės. Medinis interferometro pagrindas, aišku, nėra pats geriausias sprendimas, tačiau namuose jį pagaminti iš metalo buvo problematiška.

Dabar galite patikrinti trikdžių galimybę namuose - tai yra, surinkti interferometrą. Vienas veidrodis jau yra, todėl turime pridėti antrą bandomąjį veidrodį ir spindulio skirstytuvą. Aš turėjau spindulį dalijantį kubą, jį ir naudojau, nors interferometre esantis kubas veikia prasčiau nei spindulį dalijanti plokštė - jo veidai duoda papildomus šviesos atspindžius. Gautas dizainas yra toks:

Į vieną iš kubo pusių, ne į veidrodį, reikia nukreipti šviesą, o per kitą galite stebėti trukdžius.

Po surinkimo veidrodžiai yra per daug nestatūs, todėl reikia atlikti pirminį išlyginimą. Gaminau naudodamas mažos galios lazerinį diodą, prijungtą prie pakankamai didelio skersmens kolimuojančio lęšio. Lazeriui turi būti taikoma labai maža srovė – tokia, kad galėtumėte žiūrėti tiesiai į kristalą. Rezultatas yra taškinis šviesos šaltinis.

Lazeris dedamas prieš interferometrą, o jo atspindžiai veidrodžiuose stebimi per kubą. Stebėjimo patogumui prie kubo pritvirtinau prizmę, nukreipiančią iš kubo sklindančią spinduliuotę į viršų. Dabar, sukdami veidrodžio reguliavimo varžtus, turime sujungti du matomus lazerio atspindžius į vieną.

Deja, neturiu šio proceso nuotraukų ir atrodo nelabai aiškiai – dėl akinimo kube matosi daug šviečiančių taškų. Viskas tampa daug aiškiau pradėjus sukti reguliavimo varžtus – dalis taškų pradeda judėti, o dalis lieka vietoje.

Nustačius veidrodžius, kaip aprašyta aukščiau, pakanka padidinti lazerio galią – ir štai, trukdžiai! Atrodo beveik taip pat, kaip nuotraukoje straipsnio pradžioje. Tačiau akimis stebėti lazerio spinduliuotę yra pavojinga, todėl norint pamatyti trukdžius, po kubu reikia sumontuoti kažkokį ekraną. Naudojau paprastą popierių, kuriame matyti trukdžių pakraščiai – lazerio galios ir darnos pakanka, kad susidarytų pakankamai kontrastingas vaizdas. Sukdami veidrodžio reguliavimo varžtus, galite keisti juostelių plotį – akivaizdu, kad problematiška stebėti per siauras juosteles. Kuo geriau sureguliuotas interferometras, tuo platesni pakraščiai. Tačiau, kaip jau minėjau, menkiausi veidrodėlių nukrypimai lemia nesutapimą, todėl linijos tampa per siauros ir neišsiskiriančios. Susidariusio interferometro jautrumas deformacijoms ir vibracijai yra didžiulis – tereikia bet kur paspausti pagrindo plokštę, ir linijos pradeda judėti. Netgi nuo žingsnių patalpoje virpa linijos.

Tačiau koherentinės lazerio šviesos trukdžiai dar nėra tai, ko reikia Furjė spektrometro veikimui. Toks spektrometras turėtų veikti su bet kokiu šviesos šaltiniu, įskaitant baltą. Baltos šviesos koherencijos ilgis yra apie 1 µm.
Šviesos diodams ši vertė gali būti didesnė – keliasdešimt mikrometrų. Interferometras sudaro interferencijos modelį tik tada, kai šviesos spindulių kelio skirtumas tarp kiekvieno veidrodžio ir pluošto skirstytuvo yra mažesnis už spinduliuotės koherentinį ilgį. Lazeriui, net puslaidininkiniam, jis yra didelis – daugiau nei keli milimetrai, todėl trikdžiai atsiranda iškart po veidrodžių išlygiavimo. Tačiau net ir iš šviesos diodo trukdžių gauti daug sunkiau – mikrometro varžtu pasukant veidrodį išilgine kryptimi reikia užtikrinti, kad spindulių kelio skirtumas patektų į norimą mikronų diapazoną.

Tačiau, kaip jau sakiau, judant, ypač pakankamai dideliam (šimtai mikronų), dėl nepakankamos stalo mechanikos kokybės veidrodis gali šiek tiek pasisukti, o tai lemia tai, kad dingsta sąlygos stebėti trukdžius. Todėl dažnai vietoj šviesos diodo reikia iš naujo sumontuoti lazerį ir koreguoti veidrodžio išlygiavimą varžtais.

Galų gale, po pusvalandžio bandymo, kai jau atrodė, kad tai visai nerealu, pavyko gauti šviesos trukdžius iš LED.

Kaip paaiškėjo šiek tiek vėliau, užuot stebėję trukdžius per popierių prie kubo išėjimo, geriau prieš kubą sumontuoti matinę plėvelę - taip išeina išplėstinis šviesos šaltinis. Dėl to trukdžius galima stebėti tiesiogiai akimis, o tai labai supaprastina stebėjimą.
Tai pasirodė taip (matote kubo atspindį prizmėje):

Tada mums pavyko gauti trikdžius baltoje šviesoje iš LED žibintuvėlio (nuotraukoje matoma matinė plėvelė - ji atsukta į fotoaparatą, o ant jos matosi neryški žibintuvėlio šviesos dėmė):

Jei paliečiate kurį nors iš veidrodžių, linijos pradeda judėti ir išnyks, kol visiškai išnyksta. Linijų periodas priklauso nuo spinduliuotės bangos ilgio, kaip parodyta susintetintame internete rastame paveikslėlyje:

Dabar, kai atliktas interferometras, turime sukurti judantį veidrodį, o ne bandomąjį. Iš pradžių planavau prie garsiakalbio tiesiog priklijuoti nedidelį veidrodėlį, o įjungus srovę, pakeisti veidrodžio padėtį. Gautas dizainas yra toks:

Po montavimo, kai reikėjo iš naujo sureguliuoti fiksuotą veidrodį, paaiškėjo, kad veidrodis per daug siūbuoja ant garsiakalbio kūgio ir jį šiek tiek deformuoja, kai srovė teka per garsiakalbį. Tačiau keičiant srovę per garsiakalbį buvo galima sklandžiai perkelti veidrodį.

Todėl nusprendžiau padaryti konstrukciją tvirtesnę, naudodamas mechanizmą, kuris naudojamas kai kuriuose spektrometruose – spyruoklinį lygiagretainį. Dizainas aiškus iš nuotraukos:

Gautas mazgas pasirodė esąs daug tvirtesnis nei ankstesnis, nors metalinių plokščių-spyruoklių standumas pasirodė šiek tiek aukštas.

Kairėje - lenta iš medienos plaušų plokštės, su skylute-diafragma. Apsaugo spektrometrą nuo išorinio apšvietimo.

Tarp skylės ir spindulį skaidančio kubo įtaisytas kolimuojantis lęšis, priklijuotas prie metalinio rėmo:

Ant rėmo matosi specialus plastikinis laikiklis, į kurį galima įkišti matinę plėvelę (esanti apatiniame dešiniajame kampe).

Sumontuotas fotodetektoriaus objektyvas. Tarp objektyvo ir kubo yra nedidelis veidrodis, sumontuotas ant pasukamo laikiklio. Jis pakeičia anksčiau naudotą prizmę. Straipsnio pradžioje esanti nuotrauka daryta per jį. Kai veidrodis pasukamas į stebėjimo padėtį, jis uždengia objektyvą, todėl spektrogramos registravimas tampa neįmanomas. Tokiu atveju reikia nustoti duoti signalą kilnojamojo veidrodžio garsiakalbiui – dėl per greitų svyravimų linijos akimi nesimato.

Dar viena vienos ašies lentelė matoma apačioje centre. Iš pradžių prie jo buvo pritvirtintas fotosensoris, tačiau stalas ypatingų privalumų nesuteikė, vėliau jį nuėmiau.

Įdiegtas fokusavimo objektyvas iš priekinės kameros:

Siekdamas supaprastinti spektrometro reguliavimą ir testavimą, prie diafragmos sumontavau raudoną fotodiodą.

Diodas yra sumontuotas ant specialaus pasukamo laikiklio, kad jį būtų galima naudoti kaip spektrometro bandomosios spinduliuotės šaltinį, o šviesos srautas iš objektyvo yra blokuojamas. Šviesos diodas valdomas jungikliu, sumontuotu po laikikliu.

Dabar verta šiek tiek plačiau pakalbėti apie nuotraukų jutiklius. Iš pradžių buvo planuota naudoti tik vieną įprastą silicio fotodiodą. Tačiau pirmieji bandymai pagaminti kokybišką fotodiodo stiprintuvą buvo nesėkmingi, todėl nusprendžiau naudoti OPT101 fotojutiklį, kuriame jau yra stiprintuvas, kurio konversijos koeficientas yra 1000000 (1 μA -> 1V). .

Šis jutiklis veikė gana gerai, ypač po to, kai nuėmiau minėtą lentelę ir tiksliai nustatiau aukščio jutiklį.

Tačiau silicio fotodiodas gali priimti tik 400–1100 nm bangos ilgių diapazoną.
Įvairių medžiagų sugerties linijos dažniausiai būna toliau, o joms aptikti reikia kitokio diodo.
Yra keletas fotodiodų tipų, skirtų veikti artimoje IR srityje. Paprastam naminiam įrenginiui labiausiai tinka germanio fotodiodai, galintys priimti spinduliuotę 600–1700 nm diapazone. Šie diodai buvo gaminami dar SSRS, todėl yra gana pigūs ir prieinami.

Fotodiodo jautrumas:

Man pavyko gauti fotodiodus FD-3A ir FD-9E111. Spektrometre naudojau antrąjį - jo jautrumas šiek tiek didesnis. Šiam fotodiodui dar reikėjo surinkti stiprintuvą. Jis pagamintas naudojant operacinį stiprintuvą TL072. Kad stiprintuvas veiktų, jam reikėjo suteikti neigiamo poliškumo įtampą. Norėdami gauti šią įtampą, naudojau paruoštą nuolatinės srovės-DC keitiklį su galvanine izoliacija.

Fotodiodo su stiprintuvu nuotrauka:

Interferometro šviesos srautas turi būti nukreiptas į abu fotodiodus. Šviesai nuo objektyvo atskirti būtų galima naudoti pluošto skirstytuvą, tačiau tai susilpnintų diodų skleidžiamus signalus. Todėl po objektyvo buvo sumontuotas dar vienas pasukamas veidrodėlis, kuriuo galima nukreipti šviesą į norimą diodą. Dėl to gavome tokį nuotraukų jutiklių mazgą:

Objektyvas yra nuotraukos centre, o ant jo pritvirtintas atskaitos kanalo lazeris. Lazeris yra toks pat kaip nuotolio ieškiklyje, paimtame iš DVD įrenginio. Lazeris pradeda formuoti kokybišką koherentinę spinduliuotę tik esant tam tikrai srovei. Radiacinė galia yra gana didelė. Todėl, norėdamas apriboti spindulio galią, lazerio lęšį turėjau uždengti šviesos filtru. Dešinėje yra OPT101 jutiklis, apačioje yra germanio fotodiodas su stiprintuvu.

Lazerio spinduliuotės priėmimo atskaitos kanale naudojamas fotodiodas FD-263, kurio signalas sustiprinamas operaciniu stiprintuvu LM358. Šiame kanale signalo lygis yra labai aukštas, todėl stiprinimas yra 2.

Rezultatas yra toks dizainas:

Po bandomuoju LED laikikliu yra maža prizmė, nukreipianti lazerio spindulį į atskaitos kanalo fotodiodą.

Oscilogramos, gautos iš spektrometro, pavyzdys (baltas šviesos diodas naudojamas kaip spinduliuotės šaltinis):

Geltona linija yra signalas, taikomas judančio veidrodžio garsiakalbiui, mėlyna linija yra signalas iš OPT101, raudona linija yra Furjė transformacijos, atliekamos osciloskopu, rezultatas.

Programinės įrangos dalis

Be programinės įrangos apdorojimo Furjė spektrometras neįmanomas – būtent kompiuteryje atliekama atvirkštinė Furjė transformacija, kuri iš spektrometro gautą interferogramą paverčia pirminio signalo spektru.
Mano atveju ypač sunku, kad veidrodį valdau sinusiniu signalu. Dėl šios priežasties veidrodis taip pat juda sinusoidiškai, o tai reiškia, kad jo greitis nuolat kinta. Pasirodo, signalas iš interferometro išvesties yra moduliuojamas dažniu. Taigi programa turi pakoreguoti ir apdoroto signalo dažnį.

Visa programa parašyta C#. Darbas su garsu atliekamas naudojant NAudio biblioteką. Programa ne tik apdoroja spektrometro signalą, bet ir generuoja 20 Hz dažnio sinusoidinį signalą judančiam veidrodžiui valdyti. Didesnius dažnius prasčiau perduoda judančio veidrodžio mechanika.

Signalų apdorojimo procesą galima suskirstyti į kelis etapus, o signalo apdorojimo programoje rezultatus galima peržiūrėti atskiruose skirtukuose.

Pirma, programa gauna duomenų masyvą iš garso plokštės. Šiame masyve yra duomenys iš pagrindinių ir atskaitos kanalų:

Viršuje - atskaitos signalas, apačioje - signalas iš vieno iš fotodiodų interferometro išvestyje. Šiuo atveju žalias šviesos diodas naudojamas kaip signalo šaltinis.

Atskaitos signalo apdorojimas pasirodė gana sunkus. Tenka ieškoti lokalinių signalo minimumų ir maksimumų (grafike pažymėti spalvotais taškais), skaičiuoti veidrodžio greitį (oranžinė kreivė), ieškoti minimalaus greičio taškų (pažymėtų juodais taškais). Šiems taškams svarbi atskaitos signalo simetrija, todėl jie ne visada tiksliai sutampa su realiu minimaliu greičiu.

Vienas iš rastų greičio minimumų imamas kaip interferogramos kilmė (pažymėta raudona vertikalia linija). Toliau išskiriamas vienas veidrodžio svyravimo periodas:

Atskaitos signalo virpesių periodų skaičius per vieną veidrodžio praėjimą (tarp dviejų juodų taškų aukščiau esančioje ekrano kopijoje) nurodytas dešinėje: „REF PERIODS: 68“. Kaip jau minėjau, gauta interferograma yra moduliuojama dažniu ir ją reikia taisyti. Korekcijai naudojau duomenis apie esamą signalo virpesių periodą atskaitos kanale. Korekcija atliekama interpoliuojant signalą naudojant kubinio splaino metodą. Rezultatas matomas žemiau (rodoma tik pusė interferogramos):

Gauta interferograma, dabar galite atlikti atvirkštinę Furjė transformaciją. Jis pagamintas naudojant FFTW biblioteką. Konversijos rezultatas:

Tokios transformacijos rezultate dažnių srityje gaunamas pradinio signalo spektras. Ekrano kopijoje jis konvertuojamas į abipusius centimetrus (CM^-1), kurie dažnai naudojami spektroskopijoje. Bet aš vis tiek esu labiau susipažinęs su bangų ilgių skale, todėl spektrą reikia perskaičiuoti:

Matyti, kad didėjant bangos ilgiui spektrometro skiriamoji geba mažėja. Galite šiek tiek pagerinti spektro formą, pridėdami nulius prie interferogramos pabaigos, o tai prilygsta interpoliacijos atlikimui po transformacijos.

Gautų spektrų pavyzdžiai

Lazerio spinduliuotė:

Kairėje - į lazerį tiekiama vardinė srovė, dešinėje - daug mažesnė srovė. Kaip matyti, mažėjant srovei, mažėja lazerio spinduliuotės koherentiškumas, didėja spektrinis plotis.

Naudoti šaltiniai: „ultravioletinis“ diodas, mėlyni, geltoni, balti diodai ir du skirtingo bangos ilgio IR diodai.

Kai kurių šviesos filtrų perdavimo spektrai:

Rodomi emisijos spektrai po trukdžių filtrų, paimtų iš densitometro. Apatiniame dešiniajame kampe – spinduliuotės spektras po IR filtro, paimtas iš fotoaparato. Verta paminėti, kad tai nėra šių filtrų pralaidumo koeficientai – norint išmatuoti šviesos filtro pralaidumo kreivę, reikia atsižvelgti į šviesos šaltinio spektro formą – mano atveju tai yra kaitrinė lempa. Su tokia lempa spektrometras turėjo tam tikrų problemų – kaip paaiškėjo, plačiajuosčio ryšio šviesos šaltinių spektrai gaunami kažkaip nerangiai. Man nepavyko išsiaiškinti, kas tai yra. Galbūt problema susijusi su netiesiniu veidrodžio judėjimu, galbūt - su spinduliuotės sklaida kube, arba bloga fotodiodo spektrinio jautrumo netolygaus korekcija.

Ir štai gaunamas lempos emisijos spektras:

Dešinėje esančio spektro dantys yra algoritmo ypatybė, kompensuojanti netolygų fotodiodo spektrinį jautrumą.

Idealiu atveju spektras turėtų atrodyti taip:

Bandant spektrometrą, neįmanoma nežiūrėti į fluorescencinės lempos spektrą – ji turi būdingą „dryžuotą“ formą. Tačiau registruojant spektrą įprastos 220V lempos spektro Furjė spektrometru, iškyla problema – lempa mirga. Tačiau Furjė transformacija leidžia atskirti aukštesnio dažnio virpesius (kHz vienetus), kuriuos sukelia trikdžiai, nuo žemo dažnio (100 Hz), kuriuos suteikia tinklas:

Liuminescencinės lempos spektras, gautas pramoniniu spektrometru:

Visi aukščiau pateikti spektrai buvo gauti naudojant silicio fotodiodą. Dabar pateiksiu spektrus, gautus naudojant germanio fotodiodą:

Pirmoje vietoje yra kaitinamosios lempos spektras. Kaip matote, jis nėra labai panašus į tikros lempos spektrą (jau pateiktas anksčiau).

Dešinėje - vario sulfato tirpalo perdavimo spektras. Įdomu tai, kad jis neperduoda infraraudonųjų spindulių. Maža smailė ties 650 nm yra susijusi su lazerio spinduliuotės atspindžiu iš atskaitos kanalo į pagrindą.

Taip buvo nufilmuotas spektras:

Žemiau yra vandens perdavimo spektras, dešinėje nuo jo yra tikrojo vandens perdavimo spektro grafikas.
Toliau seka acetono, geležies chlorido tirpalo, izopropilo alkoholio perdavimo spektrai.

Galiausiai pateiksiu saulės spinduliuotės spektrus, gautus naudojant silicio ir germanio fotodiodus:

Netolygi spektro forma yra susijusi su saulės spinduliuotės absorbcija atmosferoje esančiomis medžiagomis. Dešinėje yra tikroji spektro forma. Germanio fotodiodu gauto spektro forma ryškiai skiriasi nuo tikrojo spektro, nors sugerties linijos yra savo vietose.

Taigi, nepaisant visų problemų, man vis tiek pavyko gauti baltos šviesos trukdžius namuose ir padaryti Furjė spektrometrą. Kaip matote, tai nėra be trūkumų - spektrai yra šiek tiek kreivi, raiška pasirodė net prastesnė nei kai kurių namų gamybos spektrometrų su difrakcijos gardelėmis (visų pirma tai yra dėl mažos veidrodžio eigos). kilnojamas veidrodis). Bet vis dėlto – tai veikia!

Žymos: pridėti žymų