Guida alla scelta di un monocromatore

Ecco un’interessante guida su come scegliere un monocromatore.

La guida è stata redatta dal nostro partner scientifico Bentham per consentire di identificare rapidamente e facilmente la configurazione del monocromatore, degli accessori e dell'elettronica di rivelazione più appropriati per una determinata applicazione.

Quando si sceglie un monocromatore, si devono tenere presenti le 3 seguenti considerazioni principali ma non uniche:

1. l'intervallo spettrale di funzionamento
2. la risoluzione spettrale richiesta
3. l'impatto della stray light

Molti dei modelli di monocromatori della Bentham sono disponibili anche come spettroradiometri, quindi con elettronica di rilevamento integrata, per fornire una soluzione di misura completa.

Gamma spettrale e reticoli di diffrazione

I reticoli di diffrazione sono caratterizzati da una densità di linee in scanalature per millimetro. Maggiore è la densità, maggiore è la dispersione della luce, con conseguente estensione spettrale relativamente limitata. Inoltre, in generale, i reticoli a più alta densità di linee sono ottimizzati per l'uso di lunghezze d'onda corte e viceversa. Prima di decidere il numero di reticoli necessari per coprire una determinata gamma, è necessario considerare i reticoli disponibili e l'intervallo di funzionamento.

Se sono necessari più reticoli, un monocromatore a reticoli multipli consentirà di eseguire una misura spettrale su un ampio intervallo. In alternativa, è possibile utilizzare un monocromatore a reticolo singolo (intercambiabile), con la misurazione eseguita in due o più parti.

Per le misure effettuate su un intervallo spettrale molto ampio, è possibile acquistare torrette intercambiabili per i monocromatori a reticolo multiplo.

Order Sorting

Per garantire che venga misurato solo il primo ordine di diffrazione, è necessario inserire in vari punti dell'apparecchio dei filtri di selezione dell'ordine passa-alto. La ruota portafiltri standard ha sei posizioni (di cui una occupata da un disco vuoto che funge da otturatore).

Per applicazioni con una gamma spettrale più ampia, è disponibile una ruota portafiltri a otto posizioni. Per le applicazioni con una gamma spettrale molto ampia e in alcuni casi per quelle con fenditure multiple di ingresso e di uscita, è possibile utilizzare una ruota portafiltri esterna. Questa ruota portafiltri può anche ospitare filtri a densità neutra per l'attenuazione ottica o filtri passa-banda per migliorare le prestazioni per la stray light.

Numero di porte di ingresso/uscita

Quando sono necessari più ingressi al monocromatore o più uscite/rivelatori multipli per coprire un'ampia gamma spettrale, il monocromatore può essere dotato di un massimo di due fenditure di ingresso e due di uscita, con uno specchio oscillante a solenoide (SAM) posizionato tra i due per una selezione automatica.

Slit del monocromatore

La larghezza di banda del monocromatore è definita da fenditure rettangolari (definite dalla larghezza). L'opzione più semplice è l'installazione di aperture rettangolari fisse sulle porte di ingresso e di uscita, di cui sono fornite tre serie. Quando è richiesto un maggior grado di libertà, è possibile scegliere tra fenditure regolabili micrometricamente o motorizzate.

I vantaggi particolari di queste ultime sono la possibilità di variare la larghezza di banda dello strumento attraverso l'intervallo spettrale di interesse e, nel caso in cui si utilizzino reticoli multipli, o nel caso in cui un doppio reticolo migri da un reticolo all'altro e la dispersione cambi, le fenditure motorizzate possono essere modificate automaticamente per mantenere una determinata larghezza di banda. Le fenditure motorizzate possono sostituire la fenditura o essere integrate nel monocromatore.

È possibile scegliere la posizione delle fenditure in base alle esigenze di spazio, riducendo al minimo l'uso degli specchi, ecc.

Prestazioni della luce diffusa (stray light)

Sebbene lo scopo essenziale di un monocromatore sia quello di agire come un filtro sintonizzabile, presentando la lunghezza d'onda desiderata alla porta di uscita, una parte dell'ingresso spettrale a banda larga può essere dispersa da imperfezioni o contaminazioni sull'ottica in modo incontrollato, con la conseguente presentazione alla fenditura di uscita di luce a banda larga parassita in aggiunta alla luce alla lunghezza d'onda selezionata.

I reticoli di diffrazione olografici presentano meno luce parassita grazie alla tecnica di fabbricazione utilizzata, ma hanno un'efficienza inferiore rispetto ai reticoli di diffrazione di tipo “ruled”. Sebbene in molti casi questo effetto possa essere ignorato, quando il segnale da misurare alla data lunghezza d'onda può essere piccolo rispetto al contributo della luce parassita, è necessario utilizzare un secondo monocromatore, costituendo così un doppio monocromatore, in cui la lunghezza d'onda selezionata e la luce parassita vengono nuovamente diffratte e la luce parassita viene tenuta sotto controllo.

In alcune circostanze, è possibile adottare un punto intermedio tra le prestazioni della luce parassita di un monocromatore singolo e di un monocromatore doppio, utilizzando un monocromatore singolo con una selezione di filtri passa-banda. Tali filtri hanno un uso limitato, nel senso che potrebbero non essere disponibili per l'intervallo spettrale di interesse e potrebbero avere finestre di trasmissione a lunghezze d'onda maggiori che, in una certa misura, ne compromettono la funzione.

Modalità doppio monocromatore

In modalità di dispersione additiva (di gran lunga la più comune), la dispersione del reticolo di diffrazione nel primo monocromatore è potenziata da quella del secondo monocromatore. In alcune applicazioni, la dispersione risultante delle lunghezze d'onda attraverso la fenditura di uscita non può essere tollerata; in tal caso, il secondo reticolo di diffrazione è configurato in modo da agire in opposizione al primo per ottenere una dispersione netta pari a zero sulla fenditura di uscita.

Le applicazioni per le quali la dispersione sottrattiva è importante includono la misura della risposta spettrale dei rivelatori, i sistemi ad alto livello, come quelli utilizzati dai laboratori di calibrazione, dove il contributo di incertezza della dispersione attraverso la fenditura di uscita è inaccettabile e per la misura di sorgenti pulsate molto veloci, poiché in questo caso la lunghezza del percorso tra la fenditura di uscita e quella di ingresso è la stessa per tutte le lunghezze d'onda.

Internal Optical Chopper

Nelle situazioni in cui il segnale ottico da misurare può essere confuso con un segnale ottico di fondo, dovuto all'illuminazione dell'ambiente o, nell'infrarosso, al calore (radiazione infrarossa) emesso dalla strumentazione e dal fondo, si utilizza un chopper ottico per modulare tale segnale su un'onda portante nota, consentendo di discriminare i due contributi. In alcuni casi, è conveniente che il chopper ottico sia montato internamente al monocromatore.

Altre considerazioni

Nelle applicazioni nell'UV sotto i 200 nm e nell'IR, i gas atmosferici che possono assorbire la luce devono essere esclusi dal monocromatore. Ciò può essere ottenuto facendo passare azoto (o altri gas) attraverso il monocromatore; a tale scopo è prevista l'opzione di adattare le porte di spurgo.

Le applicazioni per le quali la dispersione sottrattiva è importante includono la misura della risposta spettrale dei rivelatori, i sistemi ad alto livello, come quelli utilizzati dai laboratori di calibrazione, dove il contributo di incertezza della dispersione attraverso la fenditura di uscita è inaccettabile e per la misura di sorgenti pulsate molto veloci, poiché in questo caso la lunghezza del percorso tra la fenditura di uscita e quella di ingresso è la stessa per tutte le lunghezze d'onda.

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