Injection de la lumière dans un monochromateur

Dans cette section, nous présentons brièvement l'injection de lumière dans un monochromateur, et la quantité de lumière attendue en sortie. Si l'accent est mis sur le couplage des sources lumineuses Oriel avec les monochromateurs Oriel, les mêmes principes généraux s'appliquent à la collecte de la lumière depuis toute source d'analyse. Spécifiquement, tous les principes de collecte que nous traiterons ici peuvent s'appliquer aux spectrographes et aux monochromateurs. Tout au long de ces pages, nous utilisons le terme monochromateur pour les deux instruments.
L'étendue géométrique est traitée à la page voir Liste des lampes et rendement des systèmes. Elle est définie ici comme G = AW, où A est la surface de l'image dans le plan image du système et W est l'angle solide du cône d'acceptance. Nous avons aussi noté que la plus basse étendue géométrique de tout composant d'un système optique limite le rendement du système. Dans de nombreux systèmes spectroscopiques, le monochromateur est le composant dont l'étendue géométrique est la plus basse. L'étendue géométrique du monochromateur est le produit de la surface de la fente et l'angle solide d'acceptance. Nos monochromateurs 77200 et 77700 1/4 m ont une étendue géométrique plus grande que nos monochromateurs et spectrographes 1/8 m, de petite taille.
Une fois que vous avez choisi votre monochromateur, vous ne pouvez rien faire pour accroître son étendue géométrique, aussi, vous devez penser au couplage des sources et des détecteurs. Nous proposons ici une aide pour assurer que le système optique d'entrée, que vous pouvez optimiser, ne limite pas le rendement du système.

Note technique

Si vous utilisez un monochromateur conjointement avec votre source pour fournir un faisceau d'excitation monochromatique, la lumière parasite n'est habituellement pas un souci ; c'est souvent l'objectif à atteindre que de faire pénétrer dans le système autant de lumière que possible quelle que soit la géométrie. Toutefois, si vous avez un détecteur en sortie, en particulier un détecteur grande surface, comme InstaSpec™ CCD d'Oriel, la lumière parasite peut être un problème important. Vous pouvez augmenter le ratio signal sur bruit de votre système en limitant l'étendue géométrique à l'entrée du monochromateur. Nos modèles 77400 et 77700 sont dotés d'écrans internes pour ce faire.

Cône d'acceptance et système optique du monochromateur

La figure 1 montre le système optique de notre monochromateur 77200 1/4 m. Nos instruments 77250 1/8 m, 77700 MS257™ et Cornerstone™ possèdent la même configuration. La figure 2 montre l'équivalent optique de l'entrée du monochromateur dans la figure1.
Il est facile de voir dans la figure 1 et la figure 2 que le monochromateur a une pyramide d'acceptance, souvent décrite par un nombre d'ouverture F/#. La position et les dimensions du système optique interne déterminent la pyramide. L'équivalent optique est une image de réseau située derrière la fente comme l'indique la figure 2. Seule la lumière qui passe à travers la fente dans la direction de cette image de réseau est utile.
Habituellement la pyramide est traitée comme un cône d'acceptance avec la crête du cône au centre de la fente, et le nombre d'ouverture défini par un cercle équivalent dans l'image de réseau carrée. Le “cercle équivalent” est le cercle possédant la même surface que son carré correspondant ; cette définition a pour résultat une approximation plus précise du nombre d'ouverture que si l'on utilise le cercle à l'intérieur ou à l'extérieur du carré. En fonction de l'équivalent, le 77200 1/4 m possède un cône d'acceptance d'un demi-angle de 6,4°. Le demi-angle du 77250 1/8 m fait 7,7° celui du MS257™, 7,4°. Les monochromateurs Cornerstone™ 130 et 260™ ont un cône d'acceptance d'un demi-angle de 7,7° et de 7,4° également.

Tableau 1 : Valeur du demi-angle et de l'angle solide d'instruments de nombres d'ouverture variés

Pertinence du nombre d'ouverture du monochromateur

A la page voir Liste des lampes et rendement des systèmes, nous avons traité le concept de rapport d'ouverture. Les rapports d'ouverture peu élevés sont généralement associés à une puissance ou un rendement supérieur de collecte lumineuse. Cela vient du concept selon lequel la lumière collectée ou flux F, est inversement proportionnelle au carré du rapport d'ouverture, à savoir :

L'étendue géométrique, comme indiqué précédemment, a été montrée comme plus essentielle que le nombre d'ouverture. Nos monochromateurs 77250 et 77200 donnent un bon exemple de la mesure dans laquelle l'étendue géométrique est une meilleure unité du rendement que le nombre d'ouverture. Le 77250 possède un nombre d'ouverture effectif de F/3,7 et le 77200, de F/4,4. En fonction de la relation entre le nombre d'ouverture et la lumière collectée, vous vous attendriez à ce que le 77250 ait un rendement plus élevé de (4,43/3,72)² = 1,42 fois. Toutefois, pour maintenir une largeur de bande donnée, les fentes du 77200 sont deux fois plus larges que celles du 77250. Si l'on ignore la différence de hauteur de la fente, le résultat en utilisant les équations d'étendue géométrique est que pour une source large bande, le rendement du 77200 fait 1,38 fois celui du 77250.
Le nombre d'ouverture est uniquement le seul critère lors de la comparaison des monochromateurs de surfaces de fentes équivalentes.

L'image de la fente d'entrée se forme sur la fente de sortie

La lumière qui touche le réseau est dispersée de sorte que chaque longueur d'onde quitte le réseau sous un angle qui lui est propre (voir Théorie des réseaux pour la discussion théorique). Une plage de longueurs d'ondes étroite quitte le réseau à l'angle approprié pour passer à travers la fente de sortie.
Nous pouvons ignorer les effets de dispersion de la longueur d'onde pour apprécier un important résultat du système optique du monochromateur ; l'image optique de la fente d'entrée sur la fente de sortie (sur un détecteur dans un spectrographe). Pour les angles de réseau peu élevés, le rapport pour la représentation optique est effectivement souvent de 1:1, mais cela varie d'un instrument à l'autre. Le MS257™ possède un grossissement de 110% via le système. Cela est très significatif. La taille et l'emplacement du faisceau émergent sont vitaux quand on tente d'obtenir la sortie du monochromateur sur un petit détecteur ou dans une fibre optique à la fente de sortie. La taille et l'emplacement de la sortie sont largement déterminés par l'éclairement de la fente d'entrée.

Optimiser un monochromateur

Vous devez choisir le réseau le plus efficace et optimiser la taille de la fente de tout monochromateur pour un rendement optimal.

Réseau

Choisissez le réseau le plus efficace pour la longueur d'onde concernée. La longueur d'onde de blaze du réseau est un point de référence intéressant. Lorsque vous utilisez une large plage spectrale, choisissez un réseau qui compense les autres inefficacités du système. La Fig. 3 montre l'efficacité relative de deux de nos réseaux. La valeur de blaze du réseau à 750 nm est de toute évidence supérieure à cette valeur à 500 nm, tandis qu'à 250 nm elle est supérieure dans l'ultraviolet.

Largeur de fente

La largeur de la fente est habituellement sélectionnée pour obtenir la bande passante ou la résolution spectrale requise. Pour optimiser le rendement, utilisez toujours les fentes les plus larges que vous pouvez tout en conservant vos autres spécifications système.
L'effet de l'augmentation de la largeur de la bande dépend :

• de l'image de la source dans le plan de la fente
• du spectre de la source

Si l'image de la source sur la fente d'entrée est large et uniforme, des fentes de double largeur donnent environ quatre fois plus de rayonnement dans le monochromateur pour une source large bande avec une distribution spectrale plane. De fortes variations spectrales peuvent radicalement changer ce “gain”.
La Fig. 4 montre la variation mesurée de la puissance passant dans le monochromateur 77250 1/8 m selon la largeur de la fente, à 500 nm, pour la lampe QTH 6333 100 W. Un condenseur avec un nombre d'ouverture F/1,5 a été utilisé pour collecter la lumière et le faisceau était focalisé sur le monochromateur à F/4,5, ainsi l'image source sur la fente mesurait 6,9 x 12,6 mm débordant la fente la plus large.
Des fentes deux fois plus larges donnent deux fois plus de puissance pour une source monochromatique mais illumine une surface plus large que la fente.
De nombreuses sources produisent des images non uniformes et irrégulières sur la fente d'entrée, et possèdent une structure de raie spectrale. Des fentes deux fois plus larges produisent une augmentation de puissance comprise entre 2 et 4.
Si la fente est plus grande que l'image de la source, l'ouverture de la fente d'entrée n'a pas d'effet sur la puissance via le monochromateur. Dans ce cas, une fente de sortie deux fois plus large multiplie seulement la puissance par environ 2 pour une source large bande.

Hauteur de la fente

Quand l'image de la source dans le plan de la fente est grande, utilisez les fentes les plus longues que vous pouvez. Les longues fentes donnent un meilleur rendement à une longue image de source. Avec la lampe 6269 kW au Xénon, collectée à F/1 et imagée avec une lentielle F/5 ; l'image de l'arc sur la fente fait environ 16 mm de haut. Les fentes fixes de 18 mm du 77200 donnent 30% de puissance en plus via le 77200 que les fentes de 12 mm sur le porte-fentes multiple.
Nous avons abordé ci-dessus la formation de l'image de la fente d'entrée sur la sortie. La longueur de fente utile peut être inférieure aux 12 ou 18 mm mentionnés si la sortie doit focaliser sur un petit échantillon, détecteur ou fibre optique. Dans ce cas, vous devez veiller à concentrer le flux d'entrée sur la surface de la fente d'entrée qui correspond à la zone utile de la fente de sortie. Les fentes relativement longues ne donnent pas nécessairement un avantage et peuvent ajouter de la lumière parasite au système.

Résumé

• Choisissez le réseau avec le meilleur rendement
• Utilisez les fentes les plus larges possibles
• Utilisez les fentes les plus longues
• Eclairez la fente d'entrée de façon à avoir la majeure partie du rayonnement dans la zone utile de la fente de sortie

Assurez-vous que la dimension en longueur de la source correspond à la dimension en longueur de la fente. Vous pouvez avoir besoin de tourner le monochromateur sur le côté pour ce faire !

Taille des sources lumineuses

La taille des source lumineuse est cruciale pour le choix des optiques d'entrée. Les tailles des éléments peuvent être trouvées dans voir Lampes à arc court DC Oriel pour les lampes à arc et voir Lampes quartz-halogène au Tungstène Oriel pour les lampes QTH. Nous traitons brièvement des deux cas extrêmes et plus longuement du cas intermédiaire type.

Cas I – Surface de rayonnement large

Une source d'émission importante et uniforme doit remplir la base du cône d'acceptance (figure 2). L'optique d'entrée n'augmentera pas le rayonnement dans le monochromateur, pas plus que le déplacement du monochromateur par rapport à la surface de rayonnement ne permette à la surface de remplir la base du cône. Pour que la majeure partie du rayonnement passe, utilisez les fentes les plus large possibles. Avec une source large bande et une largeur de bande donnée, le rendement du monochromateur 77200 1/4 m peut être 4,2 fois celui du 77250 si vous utilisez les fentes de 18 mm de long sur le 77200.

Cas II - “Source ponctuelle” (ou Lasers)

La source ponctuelle théorique n'existe pas mais des sources fibres optiques, des images de microtrou et des sources laser (ou des radiations induites par le laser) de très petite taille peuvent approximativement constituer une source ponctuelle de ratonnement. Pour l'approximation de la source ponctuelle, toute l'image grossie de la source devrait entrer dans la largeur de la fente, mais sans la couvrir entièrement.
Avec les sources ponctuelles, il vous suffit de collecter autant de lumière que possible pour la source en utilisant une optique de nombre d'ouverture F/# peu élevé, et la focaliser sur la fente en ouvrant à un nombre d'ouverture égal à celui du monochromateur.

Exemple

Si vous collectez la lumière à F/2 depuis une fibre monomode de 6 mm de diamètre et retraitez l'image sur la fente à F/10, vous pouvez effectuer un grossissement par 5 ; le résultat (en ignorant la diffraction et les aberrations de lentilles) est une image d'environ 30 mm sur la fente. Si la largeur de la fente est de 1,56 mm (bande passante de 5 nm avec le 77700 et un réseau de 1200 l/mm), l'approximation de la source ponctuelle est valide. La focalisation à F/4 n'augmente pas le rayonnement dans le monochromateur, mais peut donner une résolution légèrement meilleure puisque le point d'entrée est plus petit.

Note technique

Considérations particulières sur les faisceaux haute puissance

Avertissement

1. La taille d'image réelle peut être beaucoup plus importante que prévue à partir d'un simple calcul à cause de l'aberration optique et des effets de la diffraction.
2. Si vous ne remplissez pas la fente d'entrée, la bande passante n'est pas déterminée par la dispersion et par la taille des fentes, mais par une formule complexe prenant en compte la taille du point d'entrée et la largeur de la fente de sortie.
3. Le fonctionnement à nombre d'ouverture élevé conduit à un sous-remplissage du réseau et à une meilleure résolution, mais dans les cas extrêmes, à une perte de résolution (voir Théorie des réseaux).
4. Le fonctionnement à nombre d'ouverture élevé avec des sources laser haute puissance peut endommager le réseau.

Cas III - Source de lumière et fente de dimensions comparables

La source de lumière et la taille de la fente ont souvent des dimensions comparables. Nos sources à arc intenses ont des dimensions de 0,25 x 0,25 mm à 3,0 x 2,6 mm. Les filaments halogènes Tungstène compacts à luminosité élevée (voir Lampes quartz-halogène au Tungstène Oriel) ont des dimensions de 1,7 x 0,65 à 6 x 16 mm. Les dimensions des fentes pour une bande passante de 10 nm (avec un réseau de 1200 l/mm) sur le monochromateur 77250 1/8 m sont de 1,56 x 12 mm.
Les régions fluorescentes créées par les faisceaux focalisés de radiation non-cohérente (c'est-à-dire non-laser) possèdent aussi des dimensions milimétriques.
Nous commençons par supposer que le monochromateur, le réseau et les fentes sont tous optimisés comme suggéré précédemment. Nous répertorions deux règles, les commentons, puis donnons deux exemples.
Les deux règles pour un couplage d'une efficacité optimale sont :
1. Toujours remplir le cône d'acceptance du monochromateur.
2. Faire passer autant de lumière que possible dans la fente tout en observant la règle 1.
Le problème est que les deux règles sont étroitement liées et peuvent être satisfaites par de nombreux systèmes optiques. La majeure partie de notre discussion traite d'un système à deux appareils optiques ; un condenseur collectant et collimatant la lumière de la source et une lentille de focalisation. Les systèmes à deux lentilles, comme celui de la Fig. 5 simplifient la mise en œuvre de la conception car vous pouvez définir la longueur du bras collimaté pour l'adapter à votre paramétrage.
Un système mono-lentille n'est pas meilleur pour respecter nos deux règles et vous avez la complication supplémentaire de la relation entre :

• Distance source-lentille et collection lumineuse
• Distances source-lentilles, lentille-fente et grossissement de la source
• Distance lentille-fente et nombre d'ouverture de focalisation

Vous devez aussi utiliser un système optique à large diamètre pour une collection efficace de la source. Nos illuminateurs de monochromateurs donnent un exemple de mise en œuvre efficace d'une solution avec un seul système optique.

Note technique

Photomax™

Le voir Boîtier de lampe PhotoMax™ Oriel
boîtier de lampe PhotoMax™ est conçu pour les règles 1 et 2. Les réflecteurs ellipsoïdaux collectent la lumière très efficacement et la focalisent sur la fente. Si vous utilisez une lampe à arc de faible puissance ou autre élément rayonnant de faible volume, vous obtiendrez plus de lumière dans un monochromateur en utilisant le PhotoMax™ approprié qu'avec tout condenseur. (note : il est crucial que le système illuminateur soit petit, à savoir, des lampes à arc avec des espaces de moins de 1,5 mm). Parce que la sélection de systèmes optiques n'est pas nécessaire, nous ne traitons pas en détail des systèmes PhotoMax™.

Règle 1

Remplir le cône d'acceptance signifie focaliser le faisceau sur la fente au nombre d'ouverture approprié, soit F/4 pour le 77250, le 77400 et le 77700 ou F/4,4 pour le 77200. La focalisation à ces nombres d'ouvertures a pour conséquence un remplissage excédentaire du réseau le long des diamètres verticaux et horizontaux et déficitaire dans les coins. Si vous focalisez à un nombre d'ouverture inférieur, de la lumière est perdue car elle ne parvient pas jusqu'au réseau et se reflète dans le monochromateur sous forme de lumière parasite. Toute la lumière atteint le réseau si vous vous focalisez à un nombre d'ouverture plus élevé, mais l'image de l'élément rayonnant sur la fente est plus grande qu'elle ne devrait l'être, avec une perte d'efficacité du système.
Souvenez-vous que le nombre d'ouverture mentionné pour l'entrée du monochromateur est la longueur focale des lentilles divisée par le diamètre du faisceau. Ce nombre d'ouverture est supérieur à celui de la lentille puisque le faisceau ne remplit habituellement pas complètement l'ouverture totale de la lentille.

Règle 2

La figure 5 montre un système optique type. La lumière d'un filament est collectée par la lentille 1 et focalisée sur la fente du monochromateur par la lentille 2. Le grossissement, m, du filament sur la fente est donné par le ratio des nombres d'ouverture.
m = (F2/#)/(F1/#)
Parce que le faisceau est “collimaté”, son diamètre est approximativement constant, donc le grossissement est aussi donné par le ratio des longueurs focales, f2/f1.
Nos condenseurs produisent des faisceaux de diamètres 33 mm, 48 mm et 69 mm. Les diamètres importants des faisceaux requièrent des lentilles massives et plus coûteuses. Nous utilisons des faisceaux de 33 mm pour les lampes jusqu'à 500 W et 48 mm pour les lampes de 500 W à 1kW. Nos lampes Aspherabs^® produisent un faisceau de 69 mm à faible aberration pour toute lampe.
La définition du diamètre du faisceau permet de fixer la lentille 2. Pour un faisceau de 33 mm et le nombre d'ouverture F/4,5 requis pour le monochromateur 77200, la lentille 2 devrait posséder une ouverture utile d'au moins 33 mm et une longueur focale de 33 x 4,4 = 145,2 mm. Parmi les formes de lentilles simples, les lentilles plan-convexes génèrent le moins d'aberrations, donc toute lentille plan-convexe de 38,1 ou 50,8 mm de diamètre avec une longueur focale de 150 mm peut servir de lentille 2.

Lentille condensatrice

Un modèle simple basé sur la figure 5 est très utile pour montrer l'importance de choisir une lentille à faible nombre d'ouverture pour la lentille 1 et pour illustrer l'orientation appropriée de la source.
Nous supposons un élément rayonnant rectangulaire et uniforme avec des dimensions “w x h”. La lentille 2 est fixe. Pour permettre le grossissement, le nombre d'ouverture de la lentille 1 doit être (F/#₂)/m, où “m” est le grossissement de l'élément de rayonnement à la fente.
Les dimensions effectives de la fente sont “a x b”. Ces valeurs sont déterminées par des contraintes comme la bande passante et la taille du détecteur.
L'image grossie de la source dans le plan de la fente possède les dimensions “mw x mh”. Habituellement, cette image est plus grande que les dimensions de fente, donc il y a une perte par vignettage. La perte par vignettage dépend de la forme de la source, de la forme de la fente et du grossissement ; nous utiliserons simplement le paramètre V pour quantifier cet effet. V est égal à 1 quand l'image de la source est plus petite que la fente, ce qui indique l'absence de perte. Toutefois, quand l'image de la source remplit complètement la fente, V est le ratio de la surface de la fente par rapport à la surface de l'image de la source.
V = (a x b)/(mw x mh)
La puissance qui entre dans la fente est proportionnelle à

Le premier terme reflète comment la collecte de lumière est proportionnelle à 1/(F/#₁)². Le second terme est la perte par vignettage.
La Fig 6. montre un graphique typique de la puissance relative via la fente en fonction du grossissement. Il existe trois régions. A très faible grossissement, V = 1, mais la puissance collectée est infime. La puissance collectée augmente sous la forme m², et la puissance qui entre dans le monochromateur obéit à la même relation.
Pour un grossissement m₁, la largeur de l'image de l'élément rayonnant atteint la largeur de la fente et V commence à diminuer sous la forme 1/m. Dans cette région
V* = a/mw
Par conséquent, la relation de puissance ci-dessus montre que le rayonnement collecté augmente selon m.
Pour m₂, l'image de la source grossie remplit la hauteur de la fente. Pour m>m₂, V suit sa définition complète dans la page précédente. Cette relation inverse avec m² annule l'augmentation directe m² avec le rayonnement collecté de sorte que la puissance dans le monochromateur est constante, proportionnelle à (a × b) / (w × h) (ce sont des paramètres de la source et des instruments non affectés par le choix du système optique).
* Cette expression pour V suit la définition précédente mais dans ce cas, la hauteur utile de la fente, b, est égale à mh. Les deux termes s'annulent et il reste V = a/mw.

La figure 6 aide au choix d'un condenseur. Elle vous permet de savoir quel nombre d'ouverture est nécessaire pour obtenir les meilleures performances possibles.
F/#₂ est déjà choisi pour remplir le cône d'acceptance du monochromateur. Le nombre d'ouverture du condenseur, noté F/#1 est donné par la formule :
F/#₁ = (F/#₂)/m
Si vous connaissez F/#₂, vous pouvez rapidement identifier les condenseurs disponibles sur le diagramme de grossissement. La figure 7 montre ce diagramme pour la lampe QTH 6332 50 W à F/4 dans le monochromateur.

Choix de lampe

La source idéale pour cette composition optique est un élément à luminance élevée ayant la même forme que la fente. La taille de la source lumineuse devrait au moins atteindre les dimensions de la fente divisées par m. La valeur pratique la plus importante de ce ratio pour les miroirs et les condenseurs Oriel est 5.
La sélection d'une source de rayonnement devrait être basée sur la luminance à la longueur d'onde concernée, et à partir de l'image grossie qui entre dans la zone utile de la fente.

Exemple

Sélectionnez le système optique pour une bande passante de 2 nm dans le visible avec le modèle de lampe Xénon 6253 150 W et le monochromateur 77200 1/4 m.
Le réseau le plus efficace est le réseau modèle 77233 1200 l/mm avec longueur d'onde de blaze de 350 nm. La largeur de fente du monochromateur pour une bande passante de 2 nm est de 0,63 mm. La fente fixe la plus proche fait 0,6 mm (a = 0,6). Supposons une hauteur de fente utile de 12 mm (b = 12). La lampe à arc est normalement montée verticalement, et son arc est orienté adéquatement pour s'adapter à la fente du monochromateur qui est normalement verticale. Les dimensions de l'arc sont 0,5 mm (w) par 2,2 mm (h).
Une lentille de focalisation de F/4,4 est requise pour observer la règle 1.
L'utilisation des accessoires de la série 1.5 pouce signifie un diamètre de faisceau de 33 mm, donc la longueur focale de la lentille de focalisation devrait faire environ 150 mm.
Quand on choisit le condenseur, un diagramme comme la Fig. 6 de la puissance relative à travers la fente en fonction de m, montre que le condenseur asphérique moulé avec F/0,85 donne de meilleurs résultats que F/1. En fait, la lentille F/0,85 donne une performance quasiment optimale.
Donc le système optique devrait être :
Lentille 1. Le condenseur F/0,85 trouvé dans la source 66919 Research.
Lentille 2. Une lentille de focalisation secondaire plan-convexe d'une longueur focale de 150 mm (modèle 40570).
Notez que le condenseur Pyrex^® F/0,85 possède un faible niveau de transmission inférieur à 350 nm. Ainsi pour les ultraviolets, la meilleure combinaison est le condenseur F/1 dans la source 66907, avec une lentille plan-convexe en verre de silice d'une longueur focale de 150 mm (modèle 41570), et un réseau de 1200 l/mm avec un longueur d'onde de blaze de 250 nm.

Newport Family of Brands