المادة 2: ما هو مطياف الألياف الضوئية وكيف تختار الشق والألياف المناسبة؟
تمثل مقاييس الطيف الضوئي بالألياف حاليًا الفئة السائدة من مقاييس الطيف.تتيح هذه الفئة من أجهزة قياس الطيف إمكانية نقل الإشارات الضوئية من خلال كابل ألياف ضوئية، يُطلق عليه غالبًا وصلة الألياف الضوئية، مما يسهل تعزيز المرونة والراحة في التحليل الطيفي وتكوين النظام.على النقيض من مقاييس الطيف المختبرية الكبيرة التقليدية المجهزة بأطوال بؤرية تتراوح عادة من 300 مم إلى 600 مم وتستخدم شبكات المسح، تستخدم مقاييس الطيف الضوئي بالألياف شبكات ثابتة، مما يلغي الحاجة إلى محركات دوارة.تتراوح الأطوال البؤرية لمقاييس الطيف هذه عادة بين 200 مم، أو يمكن أن تكون أقصر حتى 30 مم أو 50 مم.تتميز هذه الأجهزة بأنها مدمجة الحجم للغاية ويشار إليها عادةً باسم مطياف الألياف الضوئية المصغر.
مطياف الألياف المصغر
يعد مطياف الألياف الضوئية المصغر أكثر شيوعًا في الصناعات نظرًا لصغر حجمه وفعاليته من حيث التكلفة وقدرات الكشف السريعة والمرونة الملحوظة.يتكون مطياف الألياف الضوئية المصغر عادةً من مرآة مقعرة مشقوقة، وشبكة، وكاشف CCD/CMOS، ودوائر القيادة المرتبطة بها.وهو متصل ببرنامج الكمبيوتر المضيف (PC) عبر كابل USB أو كبل تسلسلي لإكمال جمع البيانات الطيفية.
هيكل مطياف الألياف الضوئية
تم تجهيز مطياف الألياف الضوئية بمحول واجهة الألياف، مما يوفر اتصالاً آمنًا للألياف الضوئية.تُستخدم واجهات الألياف SMA-905 في معظم مقاييس طيف الألياف الضوئية، إلا أن بعض التطبيقات تتطلب واجهات FC/PC أو واجهات ألياف غير قياسية، مثل واجهة الألياف الأسطوانية متعددة النواة بقطر 10 مم.
واجهة الألياف SMA905 (أسود)، واجهة الألياف FC/PC (الأصفر).توجد فتحة على واجهة FC/PC لتحديد المواقع.
بعد مرور الإشارة الضوئية عبر الألياف الضوئية، سوف تمر أولاً عبر شق بصري.تستخدم أجهزة قياس الطيف المصغرة عادةً شقوقًا غير قابلة للتعديل، حيث يكون عرض الشق ثابتًا.وحيث أن مطياف الألياف الضوئية JINSP يوفر عروض شق قياسية تبلغ 10 ميكرومتر، و25 ميكرومتر، و50 ميكرومتر، و100 ميكرومتر، و200 ميكرومتر بمواصفات مختلفة، كما تتوفر التخصيصات أيضًا وفقًا لمتطلبات المستخدم.
يمكن أن يؤثر التغيير في عرض الشق على تدفق الضوء والدقة البصرية بشكل شائع، وتظهر هاتان المعلمتان علاقة مفاضلة.كلما أضيق عرض الشق، زادت الدقة البصرية، وإن كان ذلك على حساب انخفاض تدفق الضوء.من الضروري ملاحظة أن توسيع الشق لزيادة تدفق الضوء له حدود أو أنه غير خطي.وبالمثل، فإن تقليل الشق له قيود على الدقة القابلة للتحقيق.يجب على المستخدمين تقييم واختيار الشق المناسب وفقًا لمتطلباتهم الفعلية، مثل إعطاء الأولوية لتدفق الضوء أو الدقة البصرية.وفي هذا الصدد، تشتمل الوثائق الفنية المقدمة لأجهزة قياس طيف الألياف الضوئية JINSP على جدول شامل يربط بين عروض الشقوق ومستويات الدقة المقابلة لها، وهو بمثابة مرجع قيم للمستخدمين.
فجوة ضيقة
جدول مقارنة دقة الشق
يحتاج المستخدمون، أثناء إعداد نظام مقياس الطيف، إلى اختيار الألياف الضوئية المناسبة لاستقبال ونقل الإشارات إلى موضع شق مقياس الطيف.هناك ثلاث معلمات مهمة يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار الألياف الضوئية.المعلمة الأولى هي القطر الأساسي، والذي يتوفر في مجموعة من الاحتمالات بما في ذلك 5μm، 50μm، 105μm، 200μm، 400μm، 600μm، وحتى أقطار أكبر تتجاوز 1 مم.من المهم ملاحظة أن زيادة القطر الأساسي يمكن أن يعزز الطاقة المستلمة في الطرف الأمامي للألياف الضوئية.ومع ذلك، فإن عرض الشق وارتفاع كاشف CCD/CMOS يحدان من الإشارات الضوئية التي يمكن أن يستقبلها المطياف.لذا، فإن زيادة قطر القلب لا يؤدي بالضرورة إلى تحسين الحساسية.يجب على المستخدمين اختيار القطر الأساسي المناسب بناءً على تكوين النظام الفعلي.بالنسبة لأجهزة قياس الطيف التابعة لشركة B&W Tek التي تستخدم كاشفات CMOS الخطية في نماذج مثل SR50C وSR75C، بتكوين شق يبلغ 50 ميكرومتر، يوصى باستخدام ألياف بصرية بقطر أساسي 200 ميكرومتر لاستقبال الإشارة.بالنسبة لمقاييس الطيف المزودة بكاشفات CCD للمنطقة الداخلية في نماذج مثل SR100B وSR100Z، قد يكون من المناسب مراعاة الألياف الضوئية الأكثر سمكًا، مثل 400 ميكرومتر أو 600 ميكرومتر، لاستقبال الإشارة.
أقطار مختلفة من الألياف الضوئية
إشارة الألياف الضوئية مقترنة بالشق
الجانب الثاني هو نطاق الطول الموجي التشغيلي ومواد الألياف الضوئية.تشتمل مواد الألياف الضوئية عادةً على ألياف عالية OH (عالية الهيدروكسيل)، ومنخفضة OH (منخفضة الهيدروكسيل)، وألياف مقاومة للأشعة فوق البنفسجية.المواد المختلفة لها خصائص نقل الطول الموجي مختلفة.تُستخدم الألياف الضوئية ذات OH العالية عادةً في نطاق الضوء فوق البنفسجي/المرئي (UV/VIS)، بينما تُستخدم الألياف منخفضة OH في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).بالنسبة لنطاق الأشعة فوق البنفسجية، ينبغي النظر في ألياف خاصة مقاومة للأشعة فوق البنفسجية.يجب على المستخدمين اختيار الألياف الضوئية المناسبة بناءً على طول موجة التشغيل الخاصة بهم.
الجانب الثالث هو قيمة الفتحة العددية (NA) للألياف الضوئية.نظرًا لمبادئ انبعاث الألياف الضوئية، يقتصر الضوء المنبعث من نهاية الألياف ضمن نطاق زاوية تباعد معين، والذي يتميز بقيمة NA.تحتوي الألياف الضوئية متعددة الأوضاع عمومًا على قيم NA تبلغ 0.1 و0.22 و0.39 و0.5 كخيارات شائعة.إذا أخذنا 0.22 NA الأكثر شيوعًا كمثال، فهذا يعني أن قطر بقعة الألياف بعد 50 مم يبلغ حوالي 22 مم، وبعد 100 مم، يكون القطر 44 مم.عند تصميم مطياف، يأخذ المصنعون في الاعتبار عادةً مطابقة قيمة NA للألياف الضوئية بأكبر قدر ممكن لضمان أقصى استقبال للطاقة.بالإضافة إلى ذلك، ترتبط قيمة NA للألياف الضوئية باقتران العدسات في الطرف الأمامي للألياف.يجب أيضًا أن تكون قيمة NA للعدسة مطابقة قدر الإمكان لقيمة NA للألياف لتجنب فقدان الإشارة.
تحدد قيمة NA للألياف الضوئية زاوية انحراف الحزمة الضوئية
عند استخدام الألياف الضوئية مع العدسات أو المرايا المقعرة، يجب مطابقة قيمة NA بأكبر قدر ممكن لتجنب فقدان الطاقة
تستقبل أجهزة قياس طيف الألياف الضوئية الضوء بزوايا تحددها قيمة NA (الفتحة العددية).سيتم استخدام الإشارة الحادثة بالكامل إذا كانت NA للضوء الساقط أقل من أو تساوي NA الخاص بمطياف ذلك.يحدث فقدان الطاقة عندما تكون NA للضوء الساقط أكبر من NA للمطياف.بالإضافة إلى نقل الألياف الضوئية، يمكن استخدام الاقتران البصري في الفضاء الحر لجمع الإشارات الضوئية.يتضمن ذلك تجميع الضوء الموازي في شق باستخدام العدسات.عند استخدام المسارات الضوئية في الفضاء الحر، من المهم اختيار العدسات المناسبة ذات قيمة NA المطابقة لقيمة مقياس الطيف، مع التأكد أيضًا من وضع شق مقياس الطيف في بؤرة العدسة لتحقيق أقصى تدفق للضوء.
اقتران بصري للمساحة الحرة
وقت النشر: 13 ديسمبر 2023