Les spectromètres à fibre optique utilisent généralement la fibre optique comme coupleur de signal, lequel est couplé photométriquement au spectromètre pour l'analyse spectrale. Grâce à la simplicité d'utilisation de la fibre optique, les utilisateurs bénéficient d'une grande flexibilité pour la conception de leur système d'acquisition de spectre.
L'avantage des spectromètres à fibres optiques réside dans la modularité et la flexibilité du système de mesure. Le microspectromètre à fibre optiqueLe système de l'université MUT en Allemagne est si rapide qu'il permet l'analyse en ligne. De plus, grâce à l'utilisation de détecteurs universels à bas coût, le prix du spectromètre est réduit, et par conséquent celui de l'ensemble du système de mesure.
La configuration de base d'un spectromètre à fibre optique comprend un réseau de diffraction, une fente et un détecteur. Les paramètres de ces composants doivent être spécifiés lors de l'achat d'un spectromètre. Les performances du spectromètre dépendent de la combinaison et de l'étalonnage précis de ces composants. Après étalonnage, ces accessoires ne doivent en principe plus être modifiés.
Présentation de la fonction
grille
Le choix du réseau dépend de la gamme spectrale et de la résolution requises. Pour les spectromètres à fibres optiques, la gamme spectrale se situe généralement entre 200 nm et 2500 nm. Du fait de l'exigence d'une résolution relativement élevée, il est difficile d'obtenir une large gamme spectrale ; par ailleurs, plus la résolution requise est élevée, plus le flux lumineux est faible. Pour des exigences de résolution plus faible et de gamme spectrale plus large, un réseau de 300 traits/mm est généralement privilégié. Si une résolution spectrale relativement élevée est nécessaire, elle peut être obtenue en choisissant un réseau de 3600 traits/mm ou un détecteur à résolution spectrale plus élevée.
fente
Une fente plus étroite améliore la résolution, mais réduit le flux lumineux ; à l’inverse, une fente plus large accroît la sensibilité, mais au détriment de la résolution. Selon les exigences de l’application, la largeur de fente appropriée est choisie afin d’optimiser le résultat global du test.
sonde
Le détecteur détermine en partie la résolution et la sensibilité du spectromètre à fibre optique. La zone photosensible du détecteur est, par principe, limitée : elle est divisée en de nombreux petits pixels pour une haute résolution, ou en un nombre réduit de pixels plus grands pour une sensibilité élevée. Généralement, la sensibilité du détecteur CCD est supérieure, ce qui permet d'obtenir une meilleure résolution sans pour autant sacrifier la sensibilité. En raison de la haute sensibilité et du bruit thermique du détecteur InGaAs dans le proche infrarouge, le rapport signal/bruit du système peut être efficacement amélioré par refroidissement.
Filtre optique
En raison du phénomène de diffraction à plusieurs étapes inhérent au spectre, l'interférence due à cette diffraction peut être réduite par l'utilisation d'un filtre. Contrairement aux spectromètres conventionnels, les spectromètres à fibre optique sont dotés d'un détecteur revêtu, une opération qui doit être réalisée en usine. Ce revêtement assure également une fonction antireflet et améliore le rapport signal/bruit du système.
Les performances du spectromètre sont principalement déterminées par sa gamme spectrale, sa résolution optique et sa sensibilité. Toute modification de l'un de ces paramètres affecte généralement les performances des autres.
Le principal défi du spectromètre n'est pas d'optimiser tous les paramètres dès sa fabrication, mais de faire en sorte que ses caractéristiques techniques répondent aux exigences de performance des différentes applications, dans cet espace tridimensionnel. Cette stratégie permet au spectromètre de satisfaire pleinement les clients et d'obtenir un retour sur investissement maximal. La taille du cube dépend des performances techniques que le spectromètre doit atteindre ; elle est liée à sa complexité et à son prix. Les spectromètres doivent répondre intégralement aux exigences techniques des clients.
Gamme spectrale
SpectromètresLes spectromètres à gamme spectrale réduite fournissent généralement des informations spectrales détaillées, tandis que les spectromètres à gamme spectrale étendue offrent un spectre visible plus large. Par conséquent, la gamme spectrale du spectromètre est un paramètre important qui doit être clairement spécifié.
Les facteurs qui affectent la gamme spectrale sont principalement le réseau et le détecteur, et le réseau et le détecteur correspondants sont sélectionnés en fonction des différentes exigences.
sensibilité
En matière de sensibilité, il est important de faire la distinction avec la sensibilité en photométrie (la plus petite intensité de signal qu'unspectromètrepeut détecter) et la sensibilité à la stœchiométrie (la plus petite différence d'absorption qu'un spectromètre peut mesurer).
a. Sensibilité photométrique
Pour les applications exigeant des spectromètres à haute sensibilité, comme la fluorescence et la spectroscopie Raman, nous recommandons les spectromètres à fibre optique SEK à refroidissement thermique, équipés de détecteurs CCD bidimensionnels de 1024 pixels également refroidis thermiquement, ainsi que de lentilles de condensation, de miroirs en or et de fentes larges (100 µm ou plus). Ce modèle permet d'utiliser des temps d'intégration longs (de 7 millisecondes à 15 minutes) pour améliorer l'intensité du signal, et contribue à réduire le bruit et à accroître la plage dynamique.
b. Sensibilité stœchiométrique
Pour détecter deux valeurs de taux d'absorption d'amplitude très proche, la sensibilité du détecteur est essentielle, tout comme le rapport signal/bruit. Le détecteur présentant le meilleur rapport signal/bruit est le détecteur CCD bidimensionnel à 1024 pixels refroidi par thermoélectricité du spectromètre SEK, avec un rapport signal/bruit de 1000:1. La moyenne de plusieurs images spectrales permet également d'améliorer le rapport signal/bruit ; plus le nombre de moyennes augmente, plus le rapport signal/bruit croît proportionnellement à la racine carrée. Par exemple, une moyenne de 100 mesures multiplie le rapport signal/bruit par 10, atteignant ainsi 10 000:1.
Résolution
La résolution optique est un paramètre important pour mesurer la capacité de séparation optique. Si vous avez besoin d'une très haute résolution optique, nous vous recommandons d'utiliser un réseau de diffraction de 1 200 traits/mm ou plus, associé à une fente étroite et à un détecteur CCD de 2 048 ou 3 648 pixels.
Date de publication : 27 juillet 2023