Použití dvojitých monochromátorů

Dvojité monochromátory patří kvůli svým přednostem mezi velmi často vyhledávané přístroje pro optickou spektroskopii.

Máte zájem o tuto aplikaci? Potřebujete radu?

V porovnání s jednoduchými monochromátory dokáží poskytnout větší disperzi a vykazují mnohem efektivnější potlačení parazitního rozptýleného světla (stray light rejection), což se u luminiscenčních spektrometrů projeví lepším poměrem signál/šum (citlivostí). Jako kritická se jeví především v případě vzorků, které vykazují nízký kvantový výtěžek nebo silně rozptylují.

Jednoduchý vs. dvojitý monochromátor

	FLS1000-S2S2	FLS1000-D2D2
Monochromátory	jednoduchý excitační, jednoduchý emisní	dvojitý excitační, dvojitý emisní
Potlačení nežádoucího rozptýleného světla	1:10⁵	1:10¹⁰
Ohnisková vzdálenost	325 nm	2 x 325 nm
Citlivost (Ramanův signál vody)	> 20000:1	> 30000:1
Počet emisních portů	2	3

Potlačení parazitního signálu pomocí dvojitého monochromátoru

U monochromátorů se pod pojmem parazitní rozptýlené světlo (Stray light) rozumí nežádoucí signál, které prochází monochromátorem společně s požadovaným (nastaveným) spektrálním pásem. Mezi jeho hlavní zdroje patří:

Rozptyl a odraz světla na optických a mechanických prvcích uvnitř monochromátoru
Vyšší difrakční řády vytvořené difrakční mřížkou
Špatná konstrukce přístroje

Moderní monochromátory mají dnes již standardně zabudovaný automatický karusel s filtry pro odstranění vyšších difrakčních řádů. Rovněž používají kolimační a fokusační zrcátka a disperzní prvky s vysokou kvalitou a nízkou úrovní rozptylu. Kromě toho lze parazitní signál výrazně potlačit použitím dvojitého monochromátoru (první monochromátor vybere spektrální pás, který je ve druhém dodatečně "přečištěn").

Příklad měření úrovně nežádoucího rozptýleného světla v praxi

Pomocí PTFE destičky byla měřena úroveň parazitního rozptýleného světla u luminiscenčního spektrometru FLS980. Kvůli porovnání byl nejprve použit spektrometr v konfiguraci s jednoduchým excitačním a emisním monochromátorem, poté ho nahradil spektrometr s dvojitými monochromátory. PTFE nevykazuje fluorescenci a difuzně rozptyluje přes široký spektrální rozsah. Je proto téměř ideálním materiálem pro studium rozptylu.

Aditivní a subtraktivní uspořádání

Dvojité monochromátory mohou být navrženy tak, aby pracovaly v aditivním nebo subtraktivním uspořádání.

Při aditivní konfiguraci je spektrální pás vystupující z prvního monochromátoru opětovně vystaven spektrálnímu rozkladu uvnitř druhého monochromátoru. V tomto módu je chování přístroje analogické jednoduchému monochromátoru s dvojnásobnou ohniskovou délkou.

Pokud je monochromátor konstruován tak, aby pracoval v subtraktivním módu, je spektrální disperze na výstupu nulová. Toho je docíleno tak, že druhý monochromátor již dále nerozkládá spektrální pás, který je vydělen na prostřední štěrbině mezi oběma monochromátory. Vykazuje však disperzi v opačném směru, čímž dojde k vzájemné kompenzaci obou příspěvků. Výsledkem je pak spektrálně uniformní výstup.

Typickým příkladem využití subtraktivních dvojitých monochromátorů je pikosekundová časově rozlišená spektroskopie. U běžných monochromátorů dochází k rozšíření procházejících pulzů kvůli reálným rozměrům difrakční mřížky. Paprsek na jedné straně difrakční mřížky bude absolvovat kratší dráhu než paprsek na opačné straně (tj. jedna strana optického svazku bude zpožděna vůči druhé). Při subtraktivním uspořádání působí druhý monochromátor jako kompenzátor, na jehož difrakční mřížce nastane inverzní proces. Dojde tak k eliminaci časového zpoždění a časové disperze.

Zdroj zprávy: TN5/2013/07, Edinburgh Instruments, Comparison of Stray Light Performance for FLS980 Spectrometers with either Single or Double Monochromatorshttps://www.edinst.com/wp-content/uploads/2015/09/TN5-Stray-Light-Double-Monos.pdf/