Přátelé, blíží se páteční večer, to je nádherný intimní čas, kdy pod rouškou lákavého soumraku můžete dostat svůj spektrometr a celou noc měřit spektrum žárovky až do prvních paprsků vycházejícího slunce, a když Slunce vychází, změřte jeho spektrum.
Jak to, že stále nemáte svůj spektrometr? Nevadí, pojďme pod řez a toto nedorozumění napravíme.
Pozornost! Tento článek se netváří jako plnohodnotný tutoriál, ale třeba za 20 minut po přečtení si rozložíte své první emisní spektrum.

Člověk a spektroskop

Povím vám to v pořadí, v jakém jsem sám prošel všemi fázemi, dalo by se říci od nejhoršího k nejlepšímu. Pokud někdo okamžitě míří na více či méně závažný výsledek, pak může polovina článku klidně přeskočit. No, pro lidi s křivýma rukama (jako já) a prostě zvědavce bude zajímavé přečíst si o mých útrapách hned od začátku.
Na internetu je dostatečné množství materiálů o tom, jak sestavit spektrometr / spektroskop vlastníma rukama z improvizovaných materiálů.
Aby bylo možné získat spektroskop doma, ve velmi jednoduchý případ není toho potřeba vůbec mnoho - prázdné CD / DVD a krabice.
Tento materiál mě přivedl k mým prvním experimentům při studiu spektra – Spektroskopii

Vlastně jsem díky vývoji autora sestavil svůj první spektroskop z transmisivní difrakční mřížky DVD disku a lepenkové krabice zpod čaje a ještě dříve mi stačil tlustý karton se štěrbinou a průhlednou mřížkou z přířezu DVD.
Nemohu říci, že by výsledky byly ohromující, ale podařilo se nám získat první spektra, zázračně uložené fotografie procesu pod spoilerem

Fotospektroskopy a spektrum

Úplně první možnost s kusem lepenky

Druhá možnost s krabičkou čaje

A zachycené spektrum

Jediná věc pro mé pohodlí, upravil tento design pomocí USB videokamery, dopadlo to takto:

fotografie spektrometru

Hned musím říct, že mě tato úprava zachránila od nutnosti používat fotoaparát mobilní telefon, ale byl tu jeden nedostatek, kameru nebylo možné zkalibrovat do nastavení služby Spectral Worckbench (o níž bude řeč níže). Spektrum se mi tedy nepodařilo zachytit v reálném čase, ale již nasbírané fotografie bylo docela možné rozpoznat.

Řekněme tedy, že jste si koupili nebo sestavili spektroskop podle výše uvedeného návodu.
Poté si vytvořte účet v projektu PublicLab.org a přejděte na servisní stránku SpectralWorkbench.org Dále vám popíšu techniku ​​rozpoznávání spektra, kterou jsem sám používal.
Pro začátek si budeme muset zkalibrovat náš spektrometr, k tomu budete muset vyfotit spektrum zářivky, nejlépe velké stropní lampy, ale postačí i úsporná lampa.
1) Stiskněte tlačítko Capture spectra
2) Nahrajte obrázek
3) Vyplňte pole, vyberte soubor, vyberte novou kalibraci, vyberte zařízení (můžete si vybrat mini spektroskop nebo jen vlastní), vyberte, jaké spektrum máte, vertikální nebo horizontální, aby bylo jasné, že spektra na screenshot předchozího programu jsou horizontální
4) Otevře se okno s grafy.
5) Zkontrolujte, jak je vaše spektrum natočeno. Modrý rozsah by měl být vlevo, červený rozsah by měl být vpravo. Pokud tomu tak není, vyberte více nástrojů – tlačítko flip vodorovně, po kterém vidíme, že se obrázek otočil a graf ne, stiskneme tedy více nástrojů – znovu extrahujte z fotografie, všechny vrcholy opět odpovídají skutečným vrcholům .

6) Stiskněte tlačítko Kalibrovat, stiskněte začít, vyberte modrý vrchol přímo na grafu (viz snímek obrazovky), stiskněte LMB a znovu se otevře vyskakovací okno, nyní musíme stisknout dokončit a vybrat poslední zelený vrchol, po kterém se stránka se obnoví a získáme obrázek kalibrovaných vlnových délek.
Nyní můžete vyplnit další studovaná spektra, při požadavku na kalibraci je nutné uvést graf, který jsme již zkalibrovali.

Snímek obrazovky

Typ nakonfigurovaného programu

Pozornost! Kalibrace předpokládá, že budete v budoucnu fotit stejným zařízením, které kalibrovalo změnu zařízení rozlišení obrazu, silný posun spektra na fotografii vzhledem k poloze na kalibrovaném příkladu může zkreslit výsledky měření.
Upřímně jsem své obrázky v editoru mírně opravil. Pokud tam bylo podsvícení, ztmavil jsem prostředí, občas trochu pootočil spektrum, abych získal obdélníkový obraz, ale ještě jednou zopakuji velikost souboru a umístění vzhledem ke středu obrazu samotného spektra je lepší neměnit .
S dalšími funkcemi, jako jsou makra, automatické nebo manuální nastavení jasu, doporučuji, abyste na to přišli sami, podle mého názoru nejsou tak kritické.
Výsledné grafy se pak pohodlně přenesou do CSV, přičemž první číslo bude zlomková (pravděpodobně zlomková) dlouhá vlna a průměrná relativní hodnota intenzity záření bude oddělena čárkou. Získané hodnoty vypadají krásně ve formě grafů sestavených například ve Scilabu

SpectralWorkbench.org má aplikace pro chytré telefony. Nepoužil jsem je. takže nemohu hodnotit.

Mějte barevný den ve všech barvách duhy přátel.

Ve schématu: 1 - zdroj záření, 2,4 - kolimační optika, 3 - vstupní apertura, 5 - pevné zrcadlo, 6 - pohyblivé zrcadlo, 7 - pohon zrcadla, 8 - dělič paprsku, 9 - referenční kanálový laser, 10 - referenční kanálový fotodetektor kanál, 11 - zaostřovací optika, 12 - signálový fotodetektor.

Aby se stabilizovala rychlost pohybu pohyblivého zrcadla a zajistilo se „navázání“ spektrometru na absolutní hodnoty vlnových délek, je do spektrometru zaveden referenční kanál sestávající z laseru a jeho fotodetektoru (9 a 12 ve schématu). Laser v tomto případě funguje jako standard vlnové délky. Kvalitní spektrometry k tomu využívají jednofrekvenční plynové lasery. Díky tomu je přesnost měření vlnových délek velmi vysoká.

Fourierovy spektrometry mají i další výhody oproti klasickým spektrometrům.
Důležitá vlastnost Fourierovy spektrometry - při použití byť jednoho fotodetektoru jsou současně zaznamenávány všechny spektrální prvky, což dává energetický zisk ve srovnání s mechanickým snímáním prvek po prvku (Felgettův zisk).

Fourierovy spektrometry nevyžadují použití optických štěrbin, které blokují většinu světelného výkonu, což poskytuje velká výhra ve svítivosti (zisk Jacquinota).

U Fourierových spektrometrů není problém s aliasingem, jako u spektrometrů s difrakčními mřížkami, díky nimž může být spektrální rozsah studovaného záření velmi široký a je určen parametry fotodetektoru a rozdělovače paprsků.

Rozlišení Fourierových spektrometrů může být mnohem vyšší než u tradičních spektrometrů. Je určen rozdílem dráhy pohyblivého zrcátka Δ. Povolený interval vlnění je určen výrazem: δλ = λ^2/Δ

Je zde však také důležitý nedostatek - velká mechanická a optická složitost spektrometru. Aby k interferenci došlo, musí být obě zrcadla interferometru velmi přesně nastavena navzájem kolmo. V tomto případě musí jedno ze zrcadel podélně kmitat, ale kolmost musí být zachována se stejnou přesností. U kvalitních spektrometrů v některých případech pro kompenzaci náklonu pohyblivého zrcátka při pohybu piezoelektrické aktuátory naklánějí pevné zrcadlo. Pro získání informace o aktuálním sklonu se měří parametry referenčního paprsku z laseru.

Praxe

Absolutně jsem si nebyl jistý, že je možné vyrobit Fourierův spektrometr doma, aniž bych měl k dispozici potřebné stroje (jak jsem již zmínil, mechanika je na spektrometru nejobtížnější). Proto byl spektrometr vyroben po etapách.

Jeden z nejvíce důležité části spektrometr - pevná zrcadlová sestava. Je to ten, kdo bude muset být během procesu montáže upraven (hladce přemístěn). Bylo nutné poskytnout možnost naklánět zrcadlo ve dvou osách a přesně s ním pohybovat v podélném směru (proč - níže), zatímco zrcadlo by se nemělo naklánět.

Základem sestavy pevného zrcadla byl jednoosý stůl s mikrometrickým šroubem. Tyto uzly jsem již měl, bylo potřeba je pouze propojit. Pro komunikaci bez vůle jsem použil jednoduché upnutí stolku na mikrometrický šroub s pružinou umístěnou uvnitř základny stolku.

Udělal jsem to pomocí tří seřizovacích šroubů z rozbitého teodolitu. Kovová deska s nalepeným zrcadlem je přitlačena pružinami ke koncům těchto šroubů a samotné šrouby jsou upevněny v kovovém rohu přišroubovaném k
stůl.

Design je jasný z fotek:

Můžete vidět seřizovací šrouby zrcátka a mikrometrický šroub.

Můžete vidět zrcadlo vepředu. Je to převzato ze skeneru. Důležitou vlastností zrcadla je, že zrcadlový povlak musí být před zrcadlem, a aby interferenční čáry nebyly křivé, musí být povrch zrcadla poměrně kvalitní.

Pohled shora:

Vidíte, jak pružiny tisknou stůl v mikrometrickém šroubu a připevňují desku se zrcátkem k rohu.

Jak můžete vidět z fotografií, sestava pevného zrcadla je připevněna k dřevotřískové desce. dřevěná základna interferometr - zjevně ne nejlepší řešení, ale vyrobit si ho z kovu doma bylo problematické.

Nyní můžete zkontrolovat možnost získání rušení doma - to znamená sestavit interferometr. Jedno zrcátko už tam je, takže musíme přidat druhé testovací zrcátko a rozdělovač paprsku. Měl jsem krychli rozdělující paprsek a použil jsem ji, ačkoli krychle v interferometru funguje hůře než deska rozdělující paprsek - její plochy poskytují dodatečné zpětné odrazy světla. Výsledný design je:

Na jednu ze stran krychle, která není čelem k zrcadlu, musíte nasměrovat světlo a přes druhou můžete pozorovat rušení.

Po sestavení jsou zrcadla příliš mimo kolmost, a proto je nutné provést počáteční vyrovnání. Vyrobil jsem jej pomocí nízkopříkonové laserové diody napojené na kolimační čočku dostatečně velkého průměru. Na laser musí být aplikován velmi malý proud - takový, abyste se mohli dívat přímo na krystal. Výsledek je bodový zdroj Sveta.

Laser je umístěn před interferometrem a jeho odrazy v zrcadlech jsou pozorovány přes krychli. Pro pohodlí pozorování jsem na krychli připevnil hranol, směřující záření, které z krychle vycházelo, směrem nahoru. Nyní, otočením nastavovacích šroubů zrcadla, musíme spojit dva viditelné odrazy laseru do jednoho.

Bohužel nemám fotky tohoto procesu a nevypadá to moc jasně – kvůli odleskům v krychli můžete vidět spoustu světelných bodů. Vše je mnohem jasnější, když začnete otáčet seřizovacími šrouby - některé body se začnou pohybovat a některé zůstávají na svém místě.

Po nastavení zrcadel, jak je popsáno výše, stačí zvýšit výkon laseru – a je to tady, rušení! Vypadá skoro stejně jako na fotce na začátku článku. Pozorovat laserové záření očima je ale nebezpečné, takže abyste viděli rušení, musíte za kostku nainstalovat nějakou clonu. Použil jsem obyčejný list papíru, na kterém jsou vidět interferenční proužky - výkon a koherence laseru stačí k vytvoření dostatečně kontrastního obrazu. Otáčením nastavovacích šroubů zrcátka můžete měnit šířku pruhů - je zřejmé, že je problematické pozorovat příliš úzké pruhy. Čím lépe je interferometr vyrovnán, tím širší jsou proužky. Jak jsem však již zmínil, sebemenší odchylky zrcadel vedou k nesouososti a následně se čáry stávají příliš úzkými a nerozeznatelnými. Citlivost výsledného interferometru na deformace a vibrace je obrovská – stačí přitisknout základní desku kdekoli a čáry se začnou pohybovat. Dokonce i kroky v místnosti způsobují chvění linek.

Interference koherentního laserového světla však zatím není to, co je pro provoz Fourierova spektrometru potřeba. Takový spektrometr by měl fungovat s jakýmkoli zdrojem světla, včetně bílého. Koherenční délka bílého světla je asi 1 µm.
U LED může být tato hodnota větší - několik desítek mikrometrů. Interferometr vytváří interferenční obrazec pouze tehdy, když je rozdíl v dráze světelných paprsků mezi každým ze zrcadel a děličem paprsků menší než koherenční délka záření. U laseru, a to i polovodičového, je velký – více než pár milimetrů, takže k interferenci dochází ihned po vyrovnání zrcadel. Ale i z LED je mnohem obtížnější získat rušení - posunutím zrcátka v podélném směru pomocí mikrometrického šroubu musíte zajistit, aby rozdíl v dráze paprsků spadal do požadovaného rozsahu mikronů.

Jak jsem však již řekl, při pohybu, zejména dostatečně velkém (stovky mikronů), se vlivem nedostatečně kvalitní mechaniky stolu může zrcátko mírně natáčet, což vede k tomu, že mizí podmínky pro pozorování rušení. Proto je často nutné přeinstalovat laser místo LED a korigovat vyrovnání zrcadla pomocí šroubů.

Nakonec se mi po půl hodině zkoušení, kdy už to vypadalo, že to není vůbec reálné, podařilo získat světelné rušení od LED.

Jak se ukázalo o něco později, místo pozorování interference skrz papír na výstupu z kostky je lepší nainstalovat matnou fólii před kostku - takhle to dopadá rozšířený zdroj světla. Díky tomu lze interferenci pozorovat přímo očima, což značně zjednodušuje pozorování.
Dopadlo to takto (můžete vidět odraz krychle v hranolu):

Pak se nám podařilo získat rušení bílého světla z LED svítilny (na fotce je matný film - je otočený směrem k fotoaparátu a je na něm vidět slabý bod světla z svítilny):

Pokud se dotknete některého ze zrcadel, čáry se začnou pohybovat a slábnout, dokud úplně nezmizí. Perioda čar závisí na vlnové délce záření, jak ukazuje syntetizovaný obrázek nalezený na internetu:

Nyní, když je interferometr hotový, musíme místo testovací sestavy vyrobit pohyblivé zrcadlo. Zpočátku jsem plánoval jednoduše přilepit malé zrcátko na reproduktor a přivedením proudu na něj změnit polohu zrcadla. Výsledný design je:

Po instalaci, která si vyžádala nové seřízení pevného zrcátka, se ukázalo, že se zrcadlo na kuželu reproduktoru příliš kýve a při průchodu proudu reproduktorem jej poněkud deformuje. Měněním proudu reproduktorem však bylo možné plynule pohybovat zrcadlem.

Proto jsem se rozhodl udělat konstrukci robustnější, pomocí mechanismu, který se používá u některých spektrometrů – pružinového paralelogramu. Design je jasný z fotografie:

Výsledný uzel se ukázal být mnohem pevnější než předchozí, i když tuhost kovových desek-pružin byla poněkud vysoká.

Vlevo - deska vyrobená ze sololitu, s otvorem-membrána. Chrání spektrometr před vnějším osvětlením.

Mezi otvor a kostku rozdělující paprsek je instalována kolimační čočka, přilepená ke kovovému rámu:

Na rámu je viditelný speciální plastový držák, do kterého lze vložit matnou fólii (umístěná v pravém dolním rohu).

Je nainstalována čočka pro fotodetektor. Mezi čočkou a kostkou je malé zrcátko upevněné na otočném držáku. Nahrazuje dříve používaný hranol. Fotka na začátku článku byla pořízena přes něj. Když je zrcátko otočeno do polohy pro pozorování, zakrývá čočku a registrace spektrogramu je nemožná. V takovém případě musíte přestat dávat signál reproduktoru pohyblivého zrcátka - kvůli příliš rychlým oscilacím nejsou čáry okem viditelné.

Další jednoosý stůl je vidět dole uprostřed. Zpočátku k němu byl připojen foto senzor, ale stůl nedával žádné zvláštní výhody a později jsem ho odstranil.

Nainstalovaná zaostřovací čočka z fotoaparátu vpředu:

Pro zjednodušení seřízení a testování spektrometru jsem nainstaloval do blízkosti clony červenou fotodiodu.

Dioda je upevněna na speciálním otočném držáku, takže ji lze použít jako zdroj testovacího záření pro spektrometr, přičemž je blokován tok světla z objektivu. LED se ovládá spínačem instalovaným pod držákem.

Nyní stojí za to mluvit trochu více o fotografických senzorech. Původně bylo plánováno použití pouze jedné konvenční křemíkové fotodiody. První pokusy o výrobu kvalitního fotodiodového zesilovače však selhaly, a tak jsem se rozhodl pro fotosenzor OPT101, který již obsahuje zesilovač s převodním faktorem 1000000 (1 μA -> 1V).

Tento senzor fungoval docela dobře, zvláště poté, co jsem odstranil zmíněnou tabulku a přesně nastavil výškový senzor.

Křemíková fotodioda je však schopna přijímat pouze záření v rozsahu vlnových délek 400-1100 nm.
Absorpční čáry různých látek obvykle leží dále a k jejich detekci je potřeba jiná dioda.
Existuje několik typů fotodiod pro provoz v blízké infračervené oblasti. Pro jednoduché domácí zařízení nejvhodnější jsou germaniové fotodiody schopné přijímat záření v rozsahu 600 - 1700 nm. Tyto diody se vyráběly ještě v SSSR, takže jsou relativně levné a dostupné.

Citlivost fotodiody:

Podařilo se mi sehnat fotodiody FD-3A a FD-9E111. Ve spektrometru jsem použil druhý - má o něco vyšší citlivost. Pro tuto fotodiodu jsem ještě musel sestavit zesilovač. Je vyroben pomocí operačního zesilovače TL072. Aby zesilovač fungoval, bylo nutné jej opatřit napětím záporné polarity. K získání tohoto napětí jsem použil již hotový DC-DC měnič s galvanickým oddělením.

Foto fotodiody se zesilovačem:

Světelný tok z interferometru by měl být zaměřen na obě fotodiody. K oddělení světla od čočky by se dal použít dělič paprsků, ale tím by se zeslabily signály z diod. Po objektivu se proto nainstalovalo další otočné zrcátko, kterým můžete světlo nasměrovat na požadovanou diodu. V důsledku toho jsme získali takový uzel fotografických senzorů:

Čočka je ve středu fotografie a laser referenčního kanálu je na ní upevněn. Laser je stejný jako u dálkoměru, převzatý z DVD mechanika. Laser začíná tvořit kvalitní koherentní záření až při určitém proudu. Síla záření je poměrně vysoká. Proto, abych omezil výkon paprsku, musel jsem čočku laseru zakrýt světelným filtrem. Vpravo je snímač na OPT101, dole je germaniová fotodioda se zesilovačem.

V referenčním kanálu pro příjem laserového záření je použita fotodioda FD-263, jejíž signál je zesilován operačním zesilovačem LM358. V tomto kanálu je úroveň signálu velmi vysoká, takže zisk je 2.

Výsledkem je tento design:

Pod držákem testovací LED je malý hranol, který směruje laserový paprsek směrem k fotodiodě referenčního kanálu.

Příklad oscilogramu získaného ze spektrometru (bílá LED slouží jako zdroj záření):

Žlutá čára je signál přivedený do reproduktoru pohyblivého zrcadla, modrá čára je signál z OPT101, červená čára je výsledkem Fourierovy transformace provedené osciloskopem.

Softwarová část

Bez softwarového zpracování je Fourierův spektrometr nemožný - právě na počítači se provádí inverzní Fourierova transformace, která převádí interferogram přijatý ze spektrometru na spektrum původního signálu.
V mém případě je obzvláště obtížné, že ovládám zrcadlo sinusovým signálem. Z tohoto důvodu se zrcadlo také pohybuje sinusovým způsobem, což znamená, že jeho rychlost se neustále mění. Ukazuje se, že signál z výstupu interferometru je frekvenčně modulován. Program tedy musí korigovat i frekvenci zpracovávaného signálu.

Celý program je napsán v C#. Práce se zvukem probíhá pomocí knihovny NAudio. Program nejen zpracovává signál ze spektrometru, ale také generuje sinusový signál o frekvenci 20 Hz pro ovládání pohyblivého zrcadla. Vyšší frekvence hůře přenáší mechanika pohyblivého zrcadla.

Proces zpracování signálu lze rozdělit do několika fází a výsledky zpracování signálu v programu lze sledovat na samostatných kartách.

Nejprve program obdrží pole dat ze zvukové karty. Toto pole obsahuje data z hlavního a referenčního kanálu:

Nahoře - referenční signál, dole - signál z jedné z fotodiod na výstupu interferometru. V tomto případě je jako zdroj signálu použita zelená LED.

Zpracování referenčního signálu se ukázalo jako poměrně obtížné. Musíte hledat lokální minima a maxima signálu (označená na grafu barevnými tečkami), vypočítat rychlost zrcadla (oranžová křivka), hledat body minimální rychlosti (označené černými tečkami). Pro tyto body je důležitá symetrie referenčního signálu, takže se ne vždy přesně shodují se skutečnou minimální rychlostí.

Jedno z nalezených minim rychlosti se považuje za počátek interferogramu (označený červenou svislou čarou). Dále je vybrána jedna perioda oscilace zrcadla:

Počet period oscilací referenčního signálu v jednom průchodu zrcadlem (mezi dvěma černými tečkami na obrázku výše) je uveden vpravo: "REF PERIODS: 68". Jak jsem již uvedl, výsledný interferogram je frekvenčně modulován a je potřeba jej korigovat. Pro korekci jsem použil údaje o aktuální periodě oscilací signálu v referenčním kanálu. Korekce se provádí interpolací signálu pomocí kubické spline metody. Výsledek je vidět níže (je zobrazena pouze polovina interferogramu):

Interferogram je získán, nyní můžete provést inverzní Fourierovu transformaci. Vyrábí se pomocí knihovny FFTW. Výsledek konverze:

V důsledku takové transformace se získá spektrum původního signálu ve frekvenční oblasti. Na snímku obrazovky je převeden na převrácené centimetry (CM^-1), které se často používají ve spektroskopii. Ale stále jsem obeznámen se stupnicí ve vlnových délkách, takže je třeba spektrum přepočítat:

Je vidět, že rozlišovací schopnost spektrometru klesá s rostoucí vlnovou délkou. Tvar spektra můžete mírně zlepšit přidáním nul na konec interferogramu, což je ekvivalentní provedení interpolace po provedení transformace.

Příklady získaných spekter

Laserové záření:

Vlevo - laser je napájen jmenovitý proud, vpravo - mnohem nižší proud. Jak je vidět, s klesajícím proudem klesá koherence laserového záření a zvětšuje se spektrální šířka.

Použité zdroje byly: "ultrafialová" dioda, modrá, žlutá, bílá dioda a dvě IR diody s různé délky vlny.

Transmisní spektra některých světelných filtrů:

Jsou zobrazena emisní spektra po interferenčních filtrech odebraných z hustoměru. V pravém dolním rohu - emisní spektrum po IR filtru, převzato z kamery. Za zmínku stojí, že se nejedná o propustnosti těchto filtrů - pro měření křivky prostupu světelného filtru je potřeba vzít v úvahu tvar spektra světelného zdroje - v mém případě se jedná o žárovku. S takovou výbojkou měl spektrometr určité problémy – jak se ukázalo, spektra širokopásmových světelných zdrojů se získávají nějak nemotorně. Nepodařilo se mi zjistit, co to je. Možná problém souvisí s nelineárním pohybem zrcadla, možná - s rozptylem záření v krychli nebo špatnou korekcí nerovnoměrné spektrální citlivosti fotodiody.

A zde je výsledné emisní spektrum lampy:

Zuby na spektru vpravo jsou znakem algoritmu, který kompenzuje nerovnoměrnou spektrální citlivost fotodiody.

V ideálním případě by spektrum mělo vypadat takto:

Při testování spektrometru se nelze nedívat na spektrum zářivky – má charakteristický „pruhovaný“ tvar. Při registraci spektra Fourierovým spektrometrem spektra běžné 220V výbojky však nastává problém - výbojka bliká. Fourierova transformace však umožňuje odlišit vysokofrekvenční oscilace (jednotky kHz) dané interferencí od nízkofrekvenčních (100 Hz) dané sítí:

Spektrum zářivky získané průmyslovým spektrometrem:

Všechna výše uvedená spektra byla získána pomocí křemíkové fotodiody. Nyní uvedu spektra získaná germaniovou fotodiodou:

Spektrum žárovky je na prvním místě. Jak vidíte, není to příliš podobné spektru skutečné lampy (již uvedeno dříve).

Vpravo - přenosové spektrum roztoku síranu měďnatého. Zajímavé je, že nepropouští infračervené záření. Malý pík při 650 nm je spojen s opětovným odrazem laserového záření od referenčního kanálu k základně.

Takto bylo spektrum natočeno:

Níže je spektrum prostupu vody, napravo od něj je graf skutečného spektra prostupu vody.
Dále následují transmisní spektra acetonu, roztoku chloridu železitého, isopropylalkoholu.

Nakonec uvedu spektra slunečního záření získaná křemíkovými a germaniovými fotodiodami:

Nerovnoměrný tvar spektra souvisí s absorpcí slunečního záření látkami obsaženými v atmosféře. Napravo - skutečný tvar spektrum. Tvar spektra získaného germaniovou fotodiodou se výrazně liší od skutečného spektra, i když absorpční čáry jsou na svých místech.

Tak se mi přes všechny problémy ještě podařilo doma sehnat interferenci bílého světla a vyrobit Fourierův spektrometr. Jak vidíte, není to bez chyb - spektra jsou poněkud zakřivená, rozlišení se ukázalo být ještě horší než u některých podomácku vyrobených spektrometrů s difrakční mřížkou (především je to způsobeno malou dráhou zrcadla pohyblivé zrcadlo). Ale přesto - funguje to!

Štítky: Přidat štítky

V předchozích článcích jsem popsal, jak jsem testoval různé LED diody pro rostliny. K analýze spektra jsem převzal a od známého učitele fyziky.

Ale potřeba takového zařízení se objevuje pravidelně a spektroskop, a ještě lépe, spektrometr by bylo žádoucí mít po ruce.

Moje volba je šperkařský spektroskop s difrakční mřížkou

Kdysi věc pro klenotníky, pak sada obsahovala „kožené“ pouzdro

Velikost spektroskopu je malá

Co dalšího bylo jasné z popisu obchodu
Vše je pevně smontováno, takže nedojde k žádnému rozebírání.
Věřme také, že na jedné straně tubusu je čočka objektivu, na druhé difrakční mřížka a ochranné sklo.

A uvnitř je krásná duha. Když ji hodně obdivoval, začal se rozhlížet, ale jaké by to bylo podívat se na spektrum.
Bohužel, spektroskop nemohl být použit pro zamýšlený účel, protože celá moje sbírka diamantů a vzácné kameny se omezila na snubní prsten, zcela neprůhledný a nedávající žádné spektrum. Tedy kromě plamene hořáku))).
Rtuťová zářivka ale poctivě dala spoustu krásných pruhů. Když jsem dosyta obdivoval různé světelné zdroje, byl jsem zmaten otázkou, jak opravit obraz a změřit spektrum.

Trochu DIY

Už dlouho se mi v hlavě točil obrázek uchycení fotoaparátu a pod stolem stál, který ještě neprošel poslední modernizací, ale vcelku úspěšně si poradil s PVC plastem.

Design není moc hezký. Přesto jsem nevyhrál odpor v X a Y až do konce. Nic Kuličkové šrouby jsou již smontovány a čekají, až dorazí nosné lineární kolejnice.

Funkčnost se ale ukázala jako vcelku přijatelná, takže duha se zobrazuje na starém Canonu, který byl dlouho nečinný.

Pravda, tady jsem byl zklamán. Krásná duha se stala tak nějak diskrétní.

Může za to všechno – matice RGB jakéhokoli fotoaparátu a fotoaparátu. Hra s nastavením vyvážení bílá barva a režimy focení, rezignoval jsem na obrázek.
Lom světla totiž nezávisí na tom, jakou barvou obraz zafixovat. Pro spektrální analýza Hodila by se i černobílá kamera s co nejrovnoměrnější citlivostí v celé šíři měřeného rozsahu.

Metoda spektrální analýzy.

Pokusem a omylem jsem přišel na tuto techniku.
1. Je nakreslen obrázek stupnice rozsahu viditelného světla (400-720nm), na kterém jsou vyznačeny hlavní čáry rtuti pro kalibraci.

2. Odebírá se několik spekter, vždy s referenčním rtuťovým. V sérii snímků musíte zafixovat polohu spektroskopu na čočce, aby se horizontálně vyloučil posun spektra ze série snímků.

3. V grafickém editoru se měřítko upraví tak, aby odpovídalo spektru rtuti, a všechna ostatní spektra se v editoru upraví bez horizontálního posunu. Ukázalo se něco takového

4. No, pak je vše vloženo do programu analyzátoru spektrometru mobilního telefonu z tohoto článku

Techniku ​​kontrolujeme na zeleném laseru, jehož vlnová délka je známá – 532nm

Chyba se ukázala být asi 1 %, což je velmi dobré při ruční metodě osazování rtuťových čar a kreslení stupnice téměř ručně.
Cestou jsem se dozvěděl, že zelené lasery nejsou přímé záření, jako červené nebo modré, ale využívají pumpování diod v pevné fázi (DPSS) s hromadou sekundárního záření. Žij a uč se!

Správnost techniky potvrdilo i měření vlnové délky červeného laseru.

Pro zajímavost jsem změřil spektrum svíčky

a spalování zemního plynu

Nyní můžete měřit spektrum LED diod, například "plné spektrum" pro rostliny

Spektrometr je připraven a funguje. Nyní s ním připravím následující recenzi - srovnání vlastností LED různých výrobců zda nás Číňané klamou a jak se správně rozhodnout.

Zkrátka jsem s výsledkem spokojený. Možná mělo smysl připojit spektroskop k webkameře kontinuální měření spektra, jako v tomto projektu

Testování spektrometru mojí asistentkou

Chcete-li zjistit, jaké spektrum barev konkrétní žárovka v domě vyzařuje, budete muset použít zařízení zvané spektrometr. Tovární modely jsou velmi drahé, takže si je můžete vyrobit domácí verze z improvizovaných materiálů. Je to velmi jednoduché, protože v tomto případě není vyžadována zvláštní přesnost.

Hlavní etapy práce

Nejprimitivnější verze spektrometru může být vyrobena ze silného papíru nebo lepenky. Ale všimněte si toho vnitřní část pouzdro musí být tmavé, aby se neodráželo, ale absorbovalo světlo. K tomuto účelu můžete použít běžný černý fix (to znamená, že stačí přetřít karton).

Pro získání spektra vyzařovaného světla budete potřebovat také difrakční mřížku, která je nejlépe vyrobena z optického DVD. Stačí vystřihnout kousek z CD obdélníkového tvaru, pak talíře rozdělte. Difrakční mřížka vyžaduje průhlednou vrstvu.

Přilepte obdélníkovou desku na lepenku a poté přilepte samotné pouzdro. Podomácku vyrobený spektrometr funguje velmi jednoduše – stačí jej namířit na světelný zdroj v domě a podívat se na průhlednou destičku vystřiženou z DVD. Pokud o něj opřete fotoaparát chytrého telefonu, můžete pořizovat snímky a poté pomocí nich analyzovat spektrum konkrétní žárovky.

Spektrometr s videokamerou

Přesto musíme přiznat, že fotit smartphonem není příliš pohodlné. Nejlepší je pozorovat zdroj světla v reálném čase. Chcete-li to provést, místo „oka“ smartphonu musíte o desku opřít běžnou počítačovou webovou kameru.

• tutorial

Přátelé, blíží se páteční večer, to je nádherný intimní čas, kdy pod rouškou lákavého soumraku můžete dostat svůj spektrometr a celou noc měřit spektrum žárovky až do prvních paprsků vycházejícího slunce, a když Slunce vychází, změřte jeho spektrum.
Jak to, že stále nemáte svůj spektrometr? Nevadí, pojďme pod řez a toto nedorozumění napravíme.
Pozornost! Tento článek se netváří jako plnohodnotný tutoriál, ale třeba za 20 minut po přečtení si rozložíte své první emisní spektrum.

Člověk a spektroskop

Povím vám to v pořadí, v jakém jsem sám prošel všemi fázemi, dalo by se říci od nejhoršího k nejlepšímu. Pokud někdo okamžitě míří na více či méně závažný výsledek, pak může polovina článku klidně přeskočit. No, pro lidi s křivýma rukama (jako já) a prostě zvědavce bude zajímavé přečíst si o mých útrapách hned od začátku.
Na internetu je dostatečné množství materiálů o tom, jak sestavit spektrometr / spektroskop vlastníma rukama z improvizovaných materiálů.
Abyste si mohli pořídit spektroskop doma, v nejjednodušším případě nebudete potřebovat vůbec mnoho - CD / DVD a krabici.
Tento materiál mě přivedl k mým prvním experimentům při studiu spektra – Spektroskopii

Vlastně díky práci autora jsem svůj první spektroskop sestavil z propustné difrakční mřížky DVD disku a kartonové krabice zpod čaje a ještě dříve z hustého kusu kartonu se štěrbinou a propustnou mřížkou z Mně stačilo prázdné DVD.
Nemohu říci, že by výsledky byly ohromující, ale podařilo se nám získat první spektra, zázračně uložené fotografie procesu pod spoilerem

Fotospektroskopy a spektrum

Úplně první možnost s kusem lepenky

Druhá možnost s krabičkou čaje

A zachycené spektrum

Jediná věc pro mé pohodlí, upravil tento design pomocí USB videokamery, dopadlo to takto:

fotografie spektrometru

Hned musím říct, že tato úprava mě ušetřila od nutnosti používat fotoaparát mobilního telefonu, ale měla jednu nevýhodu: kameru nebylo možné zkalibrovat na nastavení služby Spectral Worckbench (o čemž bude řeč níže). Spektrum se mi tedy nepodařilo zachytit v reálném čase, ale již nasbírané fotografie bylo docela možné rozpoznat.

Řekněme tedy, že jste si koupili nebo sestavili spektroskop podle výše uvedeného návodu.
Poté si vytvořte účet v projektu PublicLab.org a přejděte na servisní stránku SpectralWorkbench.org Dále vám popíšu techniku ​​rozpoznávání spektra, kterou jsem sám používal.
Pro začátek si budeme muset zkalibrovat náš spektrometr, k tomu budete muset vyfotit spektrum zářivky, nejlépe velké stropní lampy, ale postačí i úsporná lampa.
1) Stiskněte tlačítko Capture spectra
2) Nahrajte obrázek
3) Vyplňte pole, vyberte soubor, vyberte novou kalibraci, vyberte zařízení (můžete si vybrat mini spektroskop nebo jen vlastní), vyberte, jaké spektrum máte, vertikální nebo horizontální, aby bylo jasné, že spektra v screenshot předchozího programu jsou horizontální
4) Otevře se okno s grafy.
5) Zkontrolujte, jak je vaše spektrum natočeno. Modrý rozsah by měl být vlevo, červený rozsah by měl být vpravo. Pokud tomu tak není, vyberte více nástrojů – tlačítko flip vodorovně, po kterém vidíme, že se obrázek otočil a graf ne, stiskneme tedy více nástrojů – znovu extrahujte z fotografie, všechny vrcholy opět odpovídají skutečným vrcholům .

6) Stiskněte tlačítko Kalibrovat, stiskněte začít, vyberte modrý vrchol přímo na grafu (viz snímek obrazovky), stiskněte LMB a znovu se otevře vyskakovací okno, nyní musíme stisknout dokončit a vybrat poslední zelený vrchol, po kterém se stránka se obnoví a získáme obrázek kalibrovaných vlnových délek.
Nyní můžete vyplnit další studovaná spektra, při požadavku na kalibraci je nutné uvést graf, který jsme již zkalibrovali.

Snímek obrazovky

Typ nakonfigurovaného programu

Pozornost! Kalibrace předpokládá, že budete v budoucnu fotit stejným zařízením, které kalibrovalo změnu zařízení rozlišení obrazu, silný posun spektra na fotografii vzhledem k poloze na kalibrovaném příkladu může zkreslit výsledky měření.
Upřímně jsem své obrázky v editoru mírně opravil. Pokud tam bylo podsvícení, ztmavil jsem prostředí, občas trochu pootočil spektrum, abych získal obdélníkový obraz, ale ještě jednou zopakuji velikost souboru a umístění vzhledem ke středu obrazu samotného spektra je lepší neměnit .
S dalšími funkcemi, jako jsou makra, automatické nebo manuální nastavení jasu, doporučuji, abyste na to přišli sami, podle mého názoru nejsou tak kritické.
Výsledné grafy se pak pohodlně přenesou do CSV, přičemž první číslo bude zlomková (pravděpodobně zlomková) dlouhá vlna a průměrná relativní hodnota intenzity záření bude oddělena čárkou. Získané hodnoty vypadají krásně ve formě grafů sestavených například ve Scilabu

SpectralWorkbench.org má aplikace pro chytré telefony. Nepoužil jsem je. takže nemohu hodnotit.

Mějte barevný den ve všech barvách duhy přátel.