Danas je nabavljen spektrometar Optical Spectrum Analyser Model 6000 (6101), proizvod britanske tvrtke Monolight Instruments Ltd iz 1980-tih godina. Tvrtka Monolight Instruments Ltd je bila prisutna na tržištu u razdoblju od sredine 1980-tih do početka 1990-tih godina i proizvodila je razne optičke mjerne i testne uređaje.
Svaki izvor svjetlosti zrači različitom jačinom u različitim valnim područjima, a spektrometar je uređaj koji takav izvor svjetlosti razlaže na pojedinačne valne duljine te mjeri jačinu (intenzitet) zračenja na svakoj od njih. Ukoliko je spektrometar dizajniran samo za analizu vidljivog dijela spektra te bliskog ultraljubičastog i infracrvenog zračenja, onda se takav spektrometar naziva još i spektrofotometar. Osnove komponente spektroskopa su izvor (uzorak) zračenja, monokromator i detektor.
Monokromator je uređaj koji rastavlja svjetlosni spektar na pojedine valne duljine (poput duge) te u jednom trenutku propušta samo jednu valnu duljinu , odnosno ovisno o rezoluciji samo jedan mali opseg valnih duljina svjetlosti. Postoje razne vrste monokromatora koji se uglavnom razlikuju po načinu optičkog rastavljanja svjetlosnog spektra, a najčešći su sa optičkom ili difrakcijskom rešetkom te sa optičkom prizmom. Optical Spectrum Analyser 6000 koristi monokromator sa optičkom rešetkom, a princip rada takvog monokromatora najbolje je prikazan na donjoj slici (preuzeto sa wikipedia.org).
Uzorak svjetlosti A propušta se kroz uzak otvor određene širine B i pada na zrcalo C. Svjetlost se sa zrcala C reflektira na optičku rešetku D gdje se razlaže na spektar (na valne duljine). Razloženi spektar svjetlosti pada na zrcalo E sa kojeg se reflektira i preko otvora F propušta na detektor. Ovdje treba primijetiti kako se kroz otvor F propušta samo jedna valna duljina ili ovisno o širini otvora samo jedan uzak spektar razložene svjetlosti. Ukoliko se malo promijeni kut optičke rešetke D, promijeniti će se i kut refleksije na zrcalu E, pa će kroz otvor G prolaziti drugi dio razloženog spektra svjetlosti.
Sve ove elemente nalazimo i u optičkom dijelu (monokromatoru) spektrometra Optical Spectrum Analyser 6000. Optička rešetka može se kontrolirano okretati pomoću servo-motora čime se kroz izlazni otvor redom propuštaju valne duljine čitavog razloženog spektra. Ovakav monokromator naziva se još i skenirajući monokromator. Na izlaznom otvoru nalazi se optički detektor koji jačinu svjetla na pojedinoj propuštenoj valnoj duljini pretvara u proporcionalni električni signal. Na taj način se jačina signala može mjeriti na osciloskopu. Amplitudu oscilograma predstavlja jačina signala sa optičkog detektora, a vrijeme (okidanje vremenske baze ili trigger osciloskopa) je sinkronizirano sa brzinom vrtnje optičke rešetke. Taj sinkronizacijski trigger signal za osciloskop dobiva se preko jednostavnog opto-električnog pretvarača brzine vrtnje servo-motora. Radi se o disku montiranom na osovinu servo-motora, po čijem obodu su nalijepljena mala zrcala. Izvor svjetlosti (IC dioda) osvjetljava jedno zrcalo na disku, a reflektirani signal detektira se na IC senzoru. Kako se disk sa zrcalima okreće tako na detektoru dobivamo impulse koji odgovaraju brzini vrtnje servo-motora.
Monokromator spektrometra Optical Spectrum Analyser Model 6000 (6101).
Bolji pogled na optičku (difrakcijsku rešetku) monokromatora.
Bolji pogled na zrcala monokromatora.
Blok shema spektrometra Optical Spectrum Analyser Model 6000 (6101).
Bolji pogled na pojačalo električnog signala dobivenog sa optičkog senzora (pretvornika). Zbog montaže integriranog kruga pojačala teško je iščitati njegovu punu oznaku no vjerojatno se radi o LF 357 ili nekom sličnom operacijskom pojačalu dizajniranom za optoelektrične pretvornike.
Spektrometar nismo detaljno rastavljali zbog osjetljivih optičkih elemenata, no čitava elektronika sastoji se od kontrole brzine vrtnje elektromotora (komparacijsko pojačalo LM 393N), generatora trigger impulsa (CD 4538 BCN) i već spomenutog pojačala za optički senzor (LF 357).
Spektrometrom (spektrofotometrom) Optical Spectrum Analyser 6000 uz odgovarajuće optičke rešetke i detektore mogu se mjeriti valne duljine u rasponu 200-4700 nm. U naš primjerak spektrometra (konfiguracija 6101) ugrađena je optička rešetka 1200/500 i optički senzor sa silicijskom fotodiodom. Optička rešetka sastoji se od gustog niza fino urezanih paralelnih linija na kojima se difuzno raspršuje svjetlost određenog opsega valnih duljina. Oznaka GRATING 1200/500 znači da optička rešetka ima urezanih 1200 linija po 1 mm i da najefikasnije raspršuje svjetlost na valnoj duljini od λ = 500 nm. Međutim, puni radni opseg na kojem se može koristiti ovakva optička rešetka je puno širi i kreće se u rasponu od 2/3 λ do 2 λ, dakle od 330-1000 nm. Jednako tako senzorom sa silicijskom fotodiodom moguće je vršiti mjerenje na valnim duljinama od 220-1100 nm, tako da se ova naša kombinacija bez problema može koristiti za čitav vidljivi dio spektra (390 do 750 nm) te dio bliskog infracrvenog i ultraljubičastog zračenja. Granice navedenih opsega mjerenja nisu čvrste i dosta ovise o samoj vrsti, odnosno spektru svjetlosti koje mjerimo, pa je spektrometar Optical Spectrum Analyser 6101 prema tvorničkim podacima preporučeno koristiti u opsegu od 350-1100 nm.
Za monokromator našeg spektrometra možemo odabrati četiri širine ulazno izlaznih proreza: 0,2 mm, 0,5 mm, 1 mm i 2 mm. Njima se određuje koliko će svjetla ući u monokromator. S većim prorezom (više svjetla) dobivamo veću osjetljivost, a s manjim prorezom dobiva se veća rezolucija. Maksimalna rezolucija je 2,5 nm.
Maska sa prorezima: 0,2 mm, 0,5 mm, 1 mm i 2 mm.
Iz svega ovoga vidimo da će izlazni signal iz senzora ovisiti o puno faktora, od odabranih ulazno izlaznih proreza kojima se ograničava količina svjetlosti do karakteristike same optičke rešetke koja najbolje raspršuje svjetlost na jednoj valnoj duljini, a na drugima manje. Stoga dobiveni signali na osciloskopu neće biti prikazani u točnom odnosu. Ukoliko nam treba točno mjerenje na svakoj valnoj duljini potrebno je uključiti određene frekvencijske korekcijske filtre i filtre harmonika koji se mogu opcionalno koristiti kao sučelja između optičkog senzora i osciloskopa.
Brzina vrtnje servo-motora je 10 okretaja u sekundi što znači da jedan puni okretaj optičke rešetke traje 100 ms. Optička rešetka reflektira svoj raspršeni spektar prema senzoru u samo jednom dijelu rotacije koji traje oko 10 ms. Čitav monokromator je kalibriran tako da vrijeme rotacije od 1 ms obuhvaća valne duljine u rasponu 100 nm. Tako ćemo i na osciloskopu na podjeli od 1 ms dobiti raspon valnih duljina od 100 nm. Osciloskop na kojem pratimo signal stoga bi trebao imati frekvencijsku propusnost od barem 15 MHz za kvalitetan prikaz oscilograma.
Shema spajanja spektrometra Optical Spectrum Analyser 6101 na osciloskop i napajanje.
Snimak Trigger izlaza iz spektrometra Optical Spectrum Analyser 6101 kojim se upravlja osciloskopom za prikaz spektralne krivulje. Sukladno brzini vrtnje optičke rešetke impulsi se pojavljaju svakih 100 ms što odgovara frekvenciji od 10 Hz. Amplituda trigger impulsa je 12 V.
Osjetljivost monokromatora nije velika (zbog višestrukih lomova svjetlosti na zrcalima i optičkoj rešetki) tako da obična indikacijska LED neće davati dovoljnu jačinu svjetla koliko god je idealno fokusirali i pozicionirali na ulazu u monokromator (idealan kut upoadnog svjetla je 7°). Ovdje smo snimili spektralnu karakteristiku čiste bijele LED diode snage 1 W. Vremenska baza je 600 µs pa jedna podjela odgovara rasponu valnih duljina od 60 nm. Ovim podešenjem obuhvaćeno je čitavo mjerno područje našeg spektrometra.
Ovdje smo smanjili vremensku bazu na 200 µs tako da jedna podjela odgovara rasponu valnih duljina od 20 nm. Tim prikazom obuhvaćeno je područje vidljive svjetlosti.
Za usporedbu, ovdje smo snimili karakteristiku nešto jače zelene LED diode.
Spektrometar Optical Spectrum Analyser Model 6000 (6101) zgodan je dodatak osciloskopu za prikaz spektralnih karakteristika raznih izvora svjetla, primarno u vidljivom dijelu valnih duljina. Nama je odlično poslužio za nekoliko malih eksperimenata gdje smo se imali priliku poigrati i sa valnim duljinama svjetlosnog spektra, odnosno puno kraćim valnim duljinama od onih koje spadaju u nama elektroničarima i radioamaterima ponešto zanimljiviji RF spektar 🙂