بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله طیف سنجی به روش تبدیل فوریه با ا ستفاده از تداخل سنج مایکل سون-مورلی برای محدوده طیفی 1800-700 nm و با میزان تفکیکپذیری طیفی 0/4 nm گزارش شده ا ست. ن سبت سیگنال به نوفه این طیف سنج بهتر از 5000 ا ست. همچنین یک طیف سنج جذبی برای محدوده طیفی 4500-1500 nm با دقت 1 nm بهمنظور محا سبهی طیف جذبی مواد ساخته شده ا ست. سپس با ا ستفاده از این طیفسنج جذبی، طیف جذب پلیاستایرن اندازهگیری شده است. در این سیستمها، سیگنالهای نوری پس از آشکارسازی و تقویت تا 100000 برابر، از طریق مبدل آنالوگ به دیجیتال 14 بیتی به کامپیوتر ار سال می شود. این داده ها به صورت لحظهای تجزیه و تحلیل می شوند. سپس منحنی طیفی با استفاده از تبدیل فوریه سریع سیگنال دریافتی در محیط نرم افزار لبویو رسم میشود.
کلید واژه-تداخلسنج مایکلسون، طیفسنج نوری، طیفسنجی تبدیل فوریه، تفکیکپذیری طیفی، ناحیه مادونقرمز
-1 مقدمه
از طیفسنج بهمنظور تجز یه نور به تک تک مؤل فه های طولموجی استفاده میشود. از کاربردهای طیفسنجی میتوان به تشخیص ترکیبات شیمیایی و درصد عناصر تشکیلدهنده مواد جامد، محلول و گازها با بررسی طیف گسیلی و جذبی اشاره کرد. طیفسنجی به روش شکست نور، طیفسنجی بهوسیله عنصر پراشنده نور و طیفسنجی تبدیل فوریه روشهای متداول طیفسنجی هستند.[1] طیفسنج تبدیل فوریه توانایی کارکرد از ناحیه فرابنفش تا ناحیه مادونقرمز دور را دارد. برخلاف طیفسنجهای منشوری و توری، در طیفسنج تبدیل فوریه از هیچ گونه عنصر محدودکننده نور استفاده نمیشود و تمامی نور بهصورت همزمان وارد آشکارساز میشود. بنابراین در طیف سنج تبدیل فوریه، ن سبت سیگنالبهنوفه بهاندازه قابل توجهی افزایش پیدا میکند.[2] توان تفکیک طیفی بالا و محدوده آزاد طیفی وسیع در کنار نسبت سیگنالبه نوفه بالا، طیف سنج تبدیل فوریه را به یکی از طیفسنجهای مطرح تبدیل کرده است[3] در این پژوهش ابتدا یک طیفسنج جهت طیفسنجی در محدوده 1800 -700 nm ساخته شده ا ست. سپس با تغییر شکافنده پرتو و آشکارساز و استفاده از آینههای مناسب، محدوده طیفی به 4500-1500 nm ر سیده ا ست. در نهایت با استفاده از لامپ تنگستن - 5000-500 nm - بهعنوان منبع نور، طیف جذبی حاصل از پلیاستایرن بهدست آمده است.
-2 چیدماناپتیکی
در شکل - 1 - ، چیدمان طیفسنج ساخته شده با محدوده طیفی 1800-700 nm توضیح داده شده است. ابتدا نور منبع - قطعه - 1، با استفاده از دو آینه خارج محور سهموی - قطعه2و - 3 بر روی روزنه کنترلکننده شدت نور - قطعه - 4 متمرکز شده است. سپس نور خروجی از روزنه به وسیله آینه خارج محور دیگری - قط عه - 5 موازی و وارد تدا خلسنج مایکل سون شده ا ست. شکافنده تداخل سنج - قطعه - 6 که از جنس سیلیس ذوب شده است، قسمتی از نور را عبور داده و ق سمتی دیگر را بازتاب کرده ا ست. پرتوهای عبوری و بازتابی پس از رفت و برگشت بین آینه متحرک - قطعه - 7 و آینه ثابت - قطعه - 8 با یکدیگر تداخل میکنند. - در اینجا برای جابجایی آینه متحرک از یک جابجاگر مکانیکی با دقت بالا استفاده شده است. - پرتو تداخلی پس از خروج از تداخلسنج به کمک یک آینه خارج محور - قطعه - 9 بر روی آشکارساز ژرمانیوم - قطعه - 10 متمرکز شده است.
بدین ترتیب سیگنال تداخلی حاصل از منبع نور تابیده شده، بر روی آشکارساز قابل م شاهده ا ست. علاوهبر منبع نوری که بهعنوان منبع نور اصلی استفاده شده است، از یک لیزر هلیوم نئون - قطعه - 11 با طولموج 632/8 nm بهعنوان منبع نور سیستم کالیبراسیون اپتیکی استفاده میشود. نور لیزر هلیوم نئون به وسیله یک آینه تخت - قطعه - 12 وارد تداخل سنج مایکلسون دوم میشود. این تداخلسنج از یک شکافنده نور مرئی - قطعه - 13، یک آینه ثابت - قطعه - 14 و یک آینه متحرک م شترک با تداخل سنج ا صلی - قطعه - 7 ت شکیل شده ا ست. پرتو این لیزر بعد از خروج از تداخلسنج و تشکیل الگوی تداخلی، بهوسیله یک آینه تخت - قطعه - 15 برای مشاهده وارد آ شکار ساز سیلی سیوم - قطعه - 16 شده ا ست. در نهایت، سیگنال تداخلی نور اصلی و لیزر هلیوم نئون پس از تقویت شدن، به کمک یک مبدل آنالوگ به دیجیتال 14 بیتی وارد کامپیوتر میشود.
شکل:1 نمایی از چیدمان اپتیکی طیفسنج ساخته شده با محدوده طیفی . - 1800-700 nm - قط عه:1 منبع نور اصلی، قط عه 3،3،5 و:9 آینههای خارج محور سهموی، قطعه:4 روزنه، قطعه:6 شکافنده سیلیس ذوبشده، قط عه:13 ش کاف نده نور مرئی، قط عه:7 آی نه متحرک، قطعه8،12،14و :15 آینه تخت، قطعه:10 آشکارساز ژرمانیوم، قطعه:16 آشکارساز سیلیسیوم. گرفته است. با این تفاوت که بهجای شکافنده قبلی از شکافنده CaF2 و بهجای آ شکار ساز ژرمانیوم از آ شکار ساز PbSe، برای مشاهده سیگنال اصلی استفاده شده است. لامپ تنگستن در دو چیدمان فوق به عنوان منبع نور استفاده شده ا ست. محل قرار گرفتن ماده مجهول بعد از آینه موازیکننده - قطعه - 5 و قبل از شکافنده - قطعه - 6 است.
-3 محاسبات
میشود . بنابراین فاصله بین هر دو نوار تداخلی روشن - فاصله بین دو قله - برای لیزر هلیوم نئون برابر 316/4 nm است. سیگنال تداخلی حا صل از لیزر هلیوم نئون پس از تقویت به عنوان یک تپ فرمان به سیستم الکترونیکی مبدل آنالوگ به دیجیتال فرمان دادهگیری از سیگنال ا صلی را میدهد. لذا با هر 316/4 نانومتر جابجایی آینه یکبار از سیگنال خروجی تداخلسنج اصلی نمونهگیری میشود. هر چه میزان جابجایی آینه بیشتر باشد داده های بیشتری به گیرنده رسیده و طبق رابطه - 3 - میزان تفکیک طیفی بهتر می شود.
-5 نتایج تجربی
شکل 2 - و - 3 طیف اندازهگیری شده دو لیزر با طول موج 1064 نانومتر و 787 نانومتر تو سط این طیف سنج را ن شان میدهد. با اندازه گیری این طیف ها مشخص شد که سیگنال به نوفه سیستم بهتر از 5000 است. برای مشخص شدن قدرت تفکیک این سیستم از یک لیزر مخابراتی چند مد ا ستفاده شده و طیف آن اندازه گیری شد. م شاهده می شود که این لیزر، یک لیزر چند مد است و با اندازه گیری پهنای طیفی قلهای میتوان دریافت که قدرت تفکیک سیستم بهتر از 0/4 نانومتر است. در نهایت برای مشخص شدن دقت سیستم در حالت طیفسنجی جذبی از یک ماده مشخص به نام پلی استایرن استفاده شد و طیف نمونه اندازه گیری شد. این طیف، با طیف بهدست آمده با طیفسنج تبدیل فوریه مادونقرمز استاندارد همخوانی دارد. نتایج آن در شکل - 6 - مشاهده میشود.
-4 سیستم دادهگیری
برای محاسبه طیف با استفاده از رابطه - 2 - ، باید سیگنال تداخلی تابعی از جابجایی آینه باشد. اندازهگیری جابجایی آینه با کمک آشکارسازی نوارهای تداخلی یک لیزر هلیوم نئون و با ا ستفاده از یک تداخل سنج دیگر که در آینه جابجا شکل:2 طیف لیزر 1064 نانومتر با تفکیکپذیری طیفی 0/4 nm شونده با تداخل سنج ا صلی م شترک ا ست، انجام می شود. همانطورکه در شکل - 1 - دیده میشود، پرتو لیزر هلیوم نئون - 632/8 nm - وارد تداخلسنج دوم شده است. در اینجا بهازای هر ⁄2 جابجایی آینه یک نوار تداخلی روشن تشکیل
