1 OPTİK SPEKTROSKOPİSİ CİHAZLARI DALGABOYU SEÇİCİLER FİLTRELER, MONOKROMATÖRLER Işın Kaynakları, Dalga Boyu Seçiciler, Örnek Kapları, Dedektörler Polikromaik ışın Dalgaboyu Seçici Monokromaik ışın Dalga boyu, nm Spektral bölge 100 200 400 700 10 3 2x10 3 4x10 3 7x10 3 10 4 2x10 4 4x10 4 VAC UV Görünür Yakın IR IR Uzak IR (b) Dalga boyu seçiciler Sürekli fluorit prizma ergimiş silika veya kuvartz prizma cam prizma NaCl prizma KBr prizma 3000 hat/mm gratingler, değişik hat/mm 50 hat/mm girişim kamaları Süreksiz girişim filtreleri cam filtreler http://www2.fiu.edu/~cai/index_files/chapter%207%20components%20of%20optical%20instruments.ppt Optik spektroskopide dalga boyu seçiciler
2 Enstrümantal analizlerde, polikromatik ışının sadece sınırlı dalga boyu aralığını kapsayan bantlarına gereksinim vardır. Böyle bantların elde edilmesi için "dalga boyu seçici" denilen aletler veya sistemler kullanılır. Dalga boyu seçiciler dalga boyunu istenilen dar bir aralıkta sınırlarlar; cihazın seçiciliğini ve hassasiyetini yükseltirler. Ancak tek bir dalga boyunda ışın verebilecek ideal dalga boyu seçiciler bulunmaz; ancak, etkin bant genişliği farklı dalga boyu dağılımları söz konusudur. Etkin bant genişliği, pik yüksekliğinin yarısına karşı gelen genişliktir ve bu amaçla kullanılan sistemin kalitesiyle ters orantılıdır; bandın genişliği azaldıkça sistemin performansı yükselir. nominal dalga boyu %T maksimum Geçirgenlik, %T etkin bant genişliği ½ pik yüksekliği Dalga boyu Dalga boyu seçiciler iki tiptir: I. Filtreler: Basittirler, dayanıklıdırlar ve ucuz malzemelerdir. Bu tip dalga boyu seçiciler iki grupta inelenebilir: 1. Girişim filtreleri 2. Absorbsiyon filtreleri II. Monokromatörler: Çıkış dalga boyu sürekli olarak değişebilen dalga boyu seçicilerdir. 1. Prizma monokromatörler
3 2. Garting monkromatörler I. FİLTRELER 1. Girişim filtreleri Girişim filtreleri 200-14000 nm dalga boyu aralığında çalışır; ultraviyole, görünür, ve infrared ışın için uygundur. Girişim filtreleri, optik girişim yaparak oldukça dar ışın bantları elde edilmesini sağlar. Bir girişim filtresinde geçirgen (şeffaf) bir dielektrik malzeme (kalsyum fluorür veya magnezyum fluorür gibi) bulunur. Bu malzeme iki cam levhanın iç yüzeylerini saran iki yarı geçirgen metalik film arasına yerleştirilmiştir. Geçen ışının dalga boyunu dielektrik tabakanın kalınlığı saptar, bu nedenle kalınlığın çok iyi kontrol edilmesi gerekir. beyaz ışık gelen ışın geçirgen optik dielektrik (CaF 2 veya MgF 2 ) ışın demeti çok tabakalı girişim filtresi cam levha seçilen dalga boylu ışınlar geçen ışın dar (a) yarı geçirgen metal film (b) İki farklı girişim filtresinin şematik görünümü: (a) geçirgen tip bir girişim filtresi, (b) çok tabakalı bir girişim filtresi Paralel bir ışın demeti sisteme dik olarak çarptığında, demetin bir kısmı birinci metalik tabakadan geçerken kalan kısım yansır. Geçen kısım ikinci metalik yüzeye çarpar ve önceki işleme benzer şekilde ayrılır (bir kısmı geçer bir kısmı yansır). Bu ikinci etkileşimden yansıyan kısım özel dalga boyunda ise, birinci tabakanın iç kısmından, gelen ışınla (ayni dalga boyundaki) faz içinde olacak şekilde kısmen
4 yansıtılır. Sonuçta, özel dalga boyundaki ışın kuvvetlenirken (yapıcı girişim), diğer dalga boyları faz dışında olduğundan zayıflarlar (bozucu girişim). gelen ışın yansıyan ışın geçen ışın Yapıcı girişimin şeması Şekildeki yapıcı girişimin şemasında, kolay ayanlaşabilmesi için, gelen ışının dikle açısı yaptığı kabul edilmiştir; bu halde 1 noktasında ışık dikle açısı yaparak yarı geçirgen filme çarpar, bir kısmı yansır, bir kısmı geçer. 1, 2, 2,..., de ayni işlemler tekrarlanır. Özel dalga boyundaki ışının 2 noktasında kuvvetlenmesi için 1 den yansıyan demetin kat ettiği mesafenin, onun dielektrik ortamdaki dalga boyunun katları olması gerekir. Yüzeyle arasındaki yol uzunluğu n = 2 t/cos Oysa normal halde sıfırdır, bu durumda şekille ilgili denklem aşağıdaki şekilde basitleşir. n ' = 2 t) ışının "dielektrik" malzemedeki dalga boyu ve t de malzemenin kalınlığıdır. Buna karşılık olan havadaki (gelen ışının) dalga boyu, = 'n dir. n dielektrik ortamın refraktif indeksidir. Buna göre filtreden geçirilen demetin dalga boyları aşağıdaki eşitlikle verilir. 2 t n = n
5 n tam sayısı girişimin "derecesi"dır. Filtrenin cam tabakaları sadece kuvvetlendirilmesi istenilen bandları geçirecek şekilde seçilir; bu durumda transmisyon sınıflandırılmış olur. Aşağıdaki şekilde tipik girişim filtrelerinin performans özellikleri gösterilmiştir. Filtreler, şekilde de görüldüğü gibi, transmitrans piklerinin dalga boyları, geçirilen ışının %si (pikde) veya "% geçirgenlikleri" ve pik maksimumunun yarısındaki band genişlikleri (etkin band genişliği) ile tanımlanırlar. etkin band genişliği = 45 A 0 Geçirgenlik, % etkin band genişliği etkin band genişliği = 45 A 0 etkin band genişliği = 15 A 0 ½ pik yüksekliği Dalga boyu, A 0 Tipik girişim filtrelerinin geçirgenlik özellikleri Ultraviyole, görünür bölge, ve 14 m'ye kadar olan infrared bölgelerde kullanılan girişim filtreleri vardır. Bunların yarım-dalga genişlikleri, tipik olarak, pikin geçirdiği dalga boyunun %1.5 ğu kadardır. Bazı dar-band filtrelerinde bu değer %0.15 e kadar düşer; bunların maksimum geçirgenlikleri %10 kadardır. Girişim Kamaları Bir girişim kaması, birbirinden kama (üçgen) şeklindeki bir dielektrik malzemeyle ayrılmış, kısmen geçirgen, aynalanmış bir çift levhadır. Levhaların uzunluğu 50-
6 200 mm aralığındadır. Kamanın kalınlığı bir uçtan diğer uca kadar değiştiğinden, geçirilen ışın da sürekli olarak değişir. Kama boyunca uygun doğrusal konum seçilerek 20 nm lik band genişliği, diğerlerinden ayrılabilir. Görünür bölge (400-700 nm), yakın-infrared bölge (1000-2000 nm) ve diğer bazı infrared bölgeler (2.5-14.5m) de kullanılabilen girişim kamaları bulunur. optik düzlem Monokromatik Işın F E D C B A 34.70 inç 23.13 inç 11.57 inç karanlık hava kaması ışık karanlık ışık karanlık ışık 1 2 3 yarım dalga 2. Absorbsiyon Filtreleri Tipik bir girişim kaması şeması Absorbsiyon filtreleri, girişim filtrelerinden daha ucuzdur. Daha çok görünür bölgedeki band seçiminde kullanılırlar, 380-750 nm. Bu filtreler spektranın bazı bölgelerini absorblayarak ışını sınırlarlar. En çok kullanılan tipleri renklendirilmiş cam veya boya süspansiye edilmiş ve cam levhalar arasına sıkıştırılmış jelatindir. Birincisinin ısıl kararlılığı daha yüksektir. Absorbsiyon filtrelerinin etkin band genişlikleri 30-250 nm aralığındadır. En dar band genişliği veren filtreler bile istenilen ışının bir kısmını absorblarlar ve kendi band piklerindeki geçirgenlikleri 0.1 veya daha az olabilir. Tüm görünür bölgede geçirgenliği maksimum olan cam filtreler vardır. Kesici filtreler görünür spektrumun bir bölümünde % 100 e yakın geçirgenlik gösterir, kalan kısımda ise geçirgenlik hızla düşerek sıfır olur. Bir kesici filtre ikinci bir filtre (şekil-b) ile birleştirilerek dar bir spektral band ayrılabilir. Şekil-a'da görüldüğü gibi absorbsiyon filtrelerinin performans özellikleri, girişim-tipli filtrelerden düşük-
7 tür; absorbsiyon filtrelerin hem band genişlikleri fazladır, hem de geçirgenlikleri daha azdır; yine de pek çok uygulamada kullanılmaya elverişlidirler. 60 girişim filtresi Geçirgenlik,% 40 20 ½ pik yüksekliği etkin band genişliği ~10 nm absorbsiyon etkin band genişliği ~50 nm (a) 0 400 450 500 550 Dalga boyu, nm 100 Geçirgenlik,% 50 yeşil filtre iki filtrenin bileşimi turuncu kesme filtresi (b) 0 400 500 600 700 Dalga boyu, nm (a) İki tip filtrenin etkin band genişlikleri, (b) görünür bölgede kullanılan çeşitli filtrelerin kıyaslaması
8 II. MONOKROMATÖRLER Ultraviyole, görünür, ve infrared ışın monokromatörleri mekanik yapı olarak birbirine benzerler; bunlarda, temel olarak, aşağıdaki kısımlar bulunur: Giriş sliti; dikdörtgen şeklinde bir optik görüntü alınmasını sağlar. Paralelleştirme mercekleri veya ayna; paralel ışın demeti üretir. Prizma veya grating; ışını dalga boylarına göre dağıtır. Odaklama elementi; görüntüyü bir odak düzlemine iletir. Çıkış sliti; istenilen spektral bantları ayırır. Ayrıca monokromatörlerin çoğunda giriş ve çıkış pencereleri vardır, bunlar parçaları tozdan ve korozif gazlardan koruyacak şekilde yerleştirilmişlerdir; yapıldıkları malzemeler uygulanan dalga boyu bölgesine bağlı olarak farklı olabilir. Şekilde tipik iki monokromatörün optik dizaynları gösterilmiştir, ışının dağıtılması için birinde bir prizma, diğerinde bir grating kullanılmıştır. Konunun daha kolay anlaşılması için sadece 1 ve 2 ile gösterilen iki dalga boyunu içeren bir ışın kaynağı alınmıştır. Bu ışın, dikdörtgen şeklindeki dar bir açıklıktan (veya slitten) geçerek monokromatöre girer, paralelleştirilir, ve sonra bir açı ile dağıtıcı elemana çarpar. Prizmalı monokromatörde, iki yüzdeki kırılmayla ışın açısal bir dağılmaya uğrar; gratingde ise açısal dağılma, yansıtıcı yüzeydeki kırılmayla oluşur. Her iki dizaynda da dağıtılan ışın AB odak düzlemi üzerine odaklanır; burada giriş slitinin, her bir dalga boyu için birer tane olmak üzere, iki görüntüsü çıkar. odak düzlemi 2 B giriş yarığı paralelleştirici mercekler prizma 1 > 2 odaklama mercekleri 1 A çıkış yarığı Tipik bir prizmalı monokromatör
9 Bir pirizmalı monokromatörün odak-düzlemi dispersiyonu, y nin fonksiyonu olarak dalga boyunda değişmeye neden olur; y, cihazın odak-düzleminin AB hattı boyunca olan doğrusal mesafesidir. Odak-düzlemi dispersiyonu dy/d ile verilir. paralelleştirici ayna konkav aynalar odaklama aynası giriş yarığı yansıtıcı grating 2 1 A B odak düzlemi çıkış yarığı Czerney-Turner gratingli monokromatör Bir monokromatörün çıkış sliti, cihazın ayarından çok farklı olan dalga boylarındaki az miktarda ışınla kirlenir. Bu istenmeyen ışının birkaç kaynağı vardır. Bunlar çeşitli optik parçalardan ve monokromatör bedeninden yansıyan demetler, ve optik parçaların yüzeylerinden veya atmosferdeki tozlardan saçılan demetlerdir. Bu sahte ışının etkileri, monokromatörün uygun yerlerine bafıllar (kırıcılar) konularak ve iç yüzeyleri siyah boya ile kaplanarak en aza indirilir. Ayrıca, monokromatör slitlerinin çevresi, toz ve duman girmemesi için pencerelerle sıkıca kapatılır. Bütün bu önlemlere rağmen, hala bir miktar sahte ışın emitlenir; bu durum da bazı koşullar altındaki absorbsiyon ölçmelerinde ciddi hatalara neden olur. Modern monokromatörlerin çoğunda iki dispersiyon elementi bulunur; Bunlar iki prizma, iki grating veya bir prizma ve bir grating olabilir. Böyle bir sistemle başıboş ışının miktarı çok aza indirilerek daha büyük dispersiyon ve spektral resolusyon elde edilir. Dispersiyon elemanlarından birinin bir grating olması durumunda, yüksek-dereceli dalga boylarını ikinci eleman (bir prizma) uzaklaştırır.
10 İki önemli monokromatör tipi vardır: Prizma monokromatörler Difraksiyon grating monokromatörler Tarihsel yönde bakıldığında monokromatörlerin prizmalı cihazlar olduğu görülür, ancak hemen hemen tüm modern ticari enstrümanlarda yansıtıcılı grating monokrometreler kullanılmaktadır. 1. Prizma Monokromatörler Prizmalar ultraviyole, görünür, ve infrared ışını dağıtmada kullanılır. Prizma malzemesi, elde edilecek dalga boyu bölgesine göre değişir. Görünür ışığın dispersiyonu sağlayan bir prizma monokromatörün şeması aşağıda verilmiştir. sarı ışığın bükülmesi görünür ışık prizma taban kalınlığırezolusyon açısal dispersiyon kırmızı turuncu sarı yeşil mavi mor Yapı Malzemeleri Bir monokromatörün pencereleri, mercekleri ve prizmalarında kullanılan malzemelerin çalışılan frekans aralığındaki ışını geçirmesi gerekir; en ideal durum, geçirgenliğin %100 olmasıdır. Bazı zorunlu hallerde, geçirgenliği %20 gibi az olan malzemeler de kullanılmaktadır. Pencere ve prizma malzemelerinin refraktif indeksleri, yansıma kayıplarının en aza indirgenmesi için düşük olmalıdır. Ancak, odaklanma uzunluğunu düşürmek için de merceklerin yüksek refraktif indeksli malzemelerden yapılması gerekir. Mercek ve pencerelerde kullanılacak ideal malzemelerin refraktif indeksleri frekansla çok az değişmelidir, böylece ışınların bir araya toplanamamasından kaynaklanan hata en düşük seviyeye iner. Prizmalarda ise bunun tam tersi bir durum
11 istenir, dispersiyonun fazlalığı refraktif indeks değişiklik hızının frekansa bağlı olmasını gerektirir. Bu özelliklerden başka, monokromatör parçalarının mekanik aşınmaya, atmosfer ve laboratuvar koşullarına dayanıklı olması arzu edilir. Tek bir maddenin bu gereksinimleri karşılayabilmesi tabii ki olanaksızdır. Seçim yapılırken en başta kullanılan dalga boyu bölgesi gelir. Her dalga boyu aralığında uygun olabilen bir malzeme yoktur. Ultraviyole, görünür, ve yakın-infrared bölgeler (3000 nm ye kadar) için bir kuvartz prizma uygundur; 350-2000 nm aralığındaki dalga boylarında ayni büyüklükteki cam prizma ile daha iyi bir ayırma elde edilir. Tüm IR bölgenin taranabilmesi için birkaç prizmaya gereksinim vardır. Yakın-infrared bölge (8.0-3 m) için, bu bölgedeki dağıtma özellikleri ideal olmamasına rağmen kuvartz kullanılmıştır. Kuvartz 4 m (2500 cm -1 )den sonra kuvvetli absorbsiyon yapar. lityum fluorür (1-5 m, veya 10000-2000 cm -1 ) için uygundur. Orta-infrared bölgede kristalin sodyum klorür çok kullanılan bir prizma malzemesidir; dağıtıcılığı 5-15 m (2000-670 cm -1 ) aralığında çok yüksek, 2.5 m (4000 cm -1 )ye kadar uygun seviyededir. 20 m nin (500 cm -1 ) üstünde kuvvetli absorblayıcı olduğundan kullanılamaz. Uzak-infrared bölge (15-40 m, veya 670-250 cm -1 ) için, kristalin potasyum bromür ve sezyum bromür Prizmaların değiştirilebildiği çok sayıda spektrofotometre modelleri vardır. İnfrared ışına karşı geçirgen olan kuvartz dışındaki malzemelerin hepsi ne yazık ki kolay tahriş olur ve suda çözünürler. Bunlar nemden etkilenmemesi için kurutucu içeren veya uygun koşullardaki ortamlarda saklanır. Prizma Monokromatör Tipleri İki tip prizma dizaynı en çok kullanılan prizmalardır; Cornu prizma ve Littrow prizmadır. Aşağıdaki şekilde çok kullanılan bu iki prizma tipi görülmektedir. Birincisi 60 0 'ye göre dizayn edilmiştir, bu tip dizaynlarda çoğunlukla yekpare bir malzeme kullanılır. Kristal (ergitilmemiş) kuvartzdan yapıldığında 60 0 lik prizma 30 0 lik iki prizmanın birbirine yapıştırılmasıyla hazırlanır (şekil-a); parçalardan biri sağ, diğeri sol çevirmeli kuvartzdan yapılır. Ede edilen optikçe aktif 60 0 lik prizmadan çıkan ışının net polarizasyonu sıfırdır; bu tip bir prizmaya "Cornu prizması" denir.
12 Şekil-b, 30 0 lik ve arka kısmı aynalı bir "Littrow prizma"yı gösterir. Görüldüğü gibi, ayni yüzeyler arasında iki kez kırılma meydana gelir; bu nedenle Littrow prizması, 60 0 lik prizmalarla ayni performansı gösterir. Littrow prizmasıyla yapılan monokromatör dizaynları biraz daha sıkışıktır. Ayrıca kuvartz malzeme kullanıldığında ışın yolunun geri dönmesiyle polarizasyon yok olur. i b (a) (b) Bir prizma vasıtasıyla dispersiyon; (a) kuvartz Cornu tip, (b) Littrow tip Prizmaların Açısal Dispersiyonu Bir prizmanın "açısal dispersiyonu", yukarıdaki şekilde görülen nın, dalga boyunun fonksiyonu olarak değişme hızı olarak tarif edilir; yani, d açısal dispersiyon = d Bir prizmalı monokromatörden çıkan ışının spektral saflığı bu değere bağlıdır. Bir prizmanın açısal dispersiyonu iki kısma ayrılır: d d dn = d dn d d/dn, d daki değişikliği, prizma malzemesinin refraktif indeksi n nin fonksiyonu olarak verir. dn/d ise refraktif indeksin dalga boyuna göre değişimidir (veya, prizmanın yapıldığı malzemenin dispersiyonudur). d/dn büyüklüğü prizmanın geometrisi ve gelen ışının (i) açısına bağlıdır (şekil-a). Astigmatizm (çift görüntü) sorunundan kaçınmak için bu açının o şekilde ayarlan-
13 ması gerekir ki, demetin prizma içindeki yolu, prizmanın tabanına birkaç derece yakınlıkla paralel olsun. Bu koşullarda d/dn, sadece prizmanın açısına bağlı olur ve bu değer arttıkça hızla artar. Ancak yansıma kayıpları, yı en fazla 60 0 olacak şekilde sınırlar. = 60 0 olan bir prizma için aşağıdaki eşitlik yazılır. d 1 - n 2 = ( ) -1/2 dn 4 dn/d terimi, prizmanın yapıldığı malzemenin dispersiyonu ile ilgilidir. Bir malzeme için en büyük dispersiyon, onun anormal dispersiyon bölgesine yakın bir bölgede olur, veya absorbsiyon bölgesine çok yakındır. Prizma üretiminde kullanılan bazı maddelerin dispersiyonu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. 400 nm nin altında cam için refraktif indeksteki hızlı yükselme bu maddenin absorbsiyonunun hızla yükselmesine neden olacağından, cam prizmaların 350 nm nin altında kullanılması olanaksızlaşır. 350-200 nm aralığındaki bölgede ise camın refraktif indeksi dalga boyu ile (dn/d) önemli derecede değiştiğinden, prizma malzemesi olarak cam kuvartzdan daha üstündür. 1.70 Refraktif indeks 1.60 1.50 kristal cam kaya tuzu egitilmiş kuvartz fluorit ultraviyole görünür infrared 1.40 0 200 400 600 800 1000 1200 Birkaç optik malzemenin dispersiyon eğrileri
14 Prizmalı monokromatörlerin ayırma (rezolusyon) gücü (R), dalga boyları çok az farklı olan peşpeşe iki görüntüyü ayırma yeteneğinin sınırını belirtir. R = d dn R = b d d, prizmanın ayırabildiği en az dalga boyu farkını, ve iki görüntünün dalga boyları ortalamasını belirtir. Bir prizmanın ayırma gücü prizma tabanı b nin uzunluğu ve yapı malzemesinin dispersiyonu ile doğru orantılıdır. Yani, yüksek rezolusyon için büyük prizmalara gereksinim vardır. 2. Difraksiyon Gratingli Monokromatörler Gratinglerin dispersiyon (dağıtıcı) elemanı olarak prizmalara göre bazı avantajları vardır. Dispersiyon, dalga boyuyla hemen hemen değişmez, sabit kalır. Aynı büyüklükteki bir prizma dispersiyon elemanından çok daha iyi bir dağılım verebilir. Yansıtıcı gratingler uzak ultraviyole ve uzak infrared bölgelerde de ışın dağıtabilir, oysa prizmalarda absorbsiyon nedeniyle bu bölgelerde ışın alınamaz. Gratinglerin prizmalara göre dezavantajı Başıboş ışın miktarı daha fazladır; ancak, Bu dezavantaj önemli değildir, çünkü istenilen dalga boyunun dışındaki ışınlar ya filtrelerle ve özel cihaz dizaynları ile engellenmektedir. Aşağıda verilen şekil bir gratingli ve bir prizmalı monokromatörün doğrusal ışın dağılımı bakımından ne kadar farklı olduğunu göstermektedir. Şekilde iki prizmalı ve bir gratingli monokromatörün odak-düzlemi dispersiyonu gösterilmiştir. İki prizmalı monokromatörün dispersiyonu doğrusal değildir, yüksek dalga boylarına gidildikçe dalga boyları arasındaki mesafe oldukça kısalır. Bunlardaki prizmalar Littrow tip prizmalardır, her birinin yüksekliği 57 mm dir. Cam prizmada 350-800 nm bölgesindeki dispersiyon en fazladır.
15 Grating Cam prizma absorbsiyon Kuvartz prizma odak düzlemi boyunca y mesafesi, cm Üç tip monokromatörün dispersiyonu Bir gratingin açısal dispersiyonu, i sabit tutularak, n = d (sin i + sin r) eşitliğinin diferensiyali ile bulunur. i = gelen ışın ile normal arasındaki açı, r = dispers ışın ile normal arasındaki açı, n = difraksiyon derecesi (tam sayı), d = yapılar arasındaki mesafeyi (grating sabiti) gösterir. Herhangi bir gelme açısında, dr n = d d cos r Çizikler arasındaki d mesafesi kısaldıkça veya her mm deki çizik sayısı arttıkça dispersiyon da artar. Kısa dalga boyu aralıklarında cos r nin ile değişimi fazla olmaz, böylece bir gratingin dispersiyonu hemen hemen doğrusaldır. Bir gratingli monokromatörün optiklerinin özel olarak dizayn edilmesiyle, çıkış sliti odak düzlemi boyunca doğrusal ışın dağılımı veren bir cihaz yapılabilir. Bir gratingin ayırma gücü R çok basit bir ifade ile verilir. R = n N
16 n difraksiyon derecesi, N giriş slitinden geçen ışının oluşturduğu hatların sayısıdır. Bir prizmada olduğu gibi, gratingin ayırma gücü de dispersiyon elementinin fiziksel büyüklüğüne bağlıdır. Gratinglerin en büyük dezavantajları çok miktarda ışın saçılmasına neden olması ve gereksiz spektral seviyelerde ışın çıkarmasıdır. Bu olumsuz etkileri giderebilmek için gratingler, ışını tek bir sırada konsantre edebilecek şekilde parlatılır. Ayrıca, gratingler filtrelerle (ve daha çok prizmalar) beraber kullanılarak bu sorunlar en düşük düzeye indirilir. Difraksiyon grating momokromatörler iki tipir: Geçirici (transmisyon) gratingler Yansıtıcı (refleksiyon) gratingler Ultraviole, görünür, ve infrared ışın, bir demetin bir geçirici gratingden geçirilmesi veya bir yansıtıcı gratingden yansıtılmasıyla elde edlir. grating normali gelen ışın + - grating normali gelen ışın yansımış ışın + - kırınan ışın kırınan ışın 1-1 > 0, 1 > 0 0 < 0, -1 < 0 0 1-1 d + 0 - (a) kırınan ışın (difrakt) (b) http://www.egr.uh.edu/bol/files/diffraction_gratings.ppt#7 (a) Bir geçirici, ve (b) bir yansıtıcı gratingin şematik görünümleri
17 Geçirici (Transmisyon) Gratingler Geçirici bir grating, üzerinde birbirine paralel ve düzgün çok sayıda girintiçıkıntılar çizilmiş bir cam veya başka bir şeffaf malzemedir. Ultraviyole ve görünür bölgede çalışan bir gratingin milimetresinde 2000-6000 hat bulunur. Bir infrared gratingdeki hat sayısı ise oldukca azdır; uzak-infrared bölge için milimetresinde 20-30 hat bulunan bir grating yeterlidir. Bu hatların birkaç santimetre uzunluğundaki gratingde eşit olarak dağılması son derece önemlidir. Bu nedenle gratingin işlenmesi hayati önem taşır ve maliyetini çok yükseltir. Hazırlanan bir gratingden çok sayıda ikinci kalite grating üretilmesi ise fazla pahalı bir işlem değildir. İlk üretilen "master" grating kalıp olarak kullanılarak çok sayıda plastik model hazırlanır, bu tip modeller orijinal gratinge göre ikinci kalite özellikte olmasına karşın pek çok uygulamada yeterli performansı gösterirler. Geçirici bir gratinge bir slitten ışık gönderildiğinde, her bir oyuk ışını saçarak gratingin opak (bulanık) bir görünüm olmasını sağlar. Bu durumda gratingin çizilmemiş bölümü, birbirine çok yakın bir dizi slit görevi yapar ve her bir slit yeni bir ışın kaynağı gibi davranır; oluşan demetler (çok sayıda) arasındaki girişim sonucunda, ışın saparak kırılır. Kırılma açısı, doğal olarak, dalga boyuna bağlıdır. 100 80 300 hat/mm, 17.5 0 Mutlak verim, % 60 40 20 600 hat/mm, 28.7 0 1200 hat/mm, 36.9 0 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Dalga boyu, nm 830 hat/mm, 29.87 0 http://www.thorlabs.de/ newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=1123 Çeşitli geçirici gratinglerin performanslarının kıyaslanması
18 Yansıtıcı (Refleksiyon) Gratingler Yansıtıcı gratinglerin kullanım alanı, ayni amaçlı geçirici gratinglerden daha yaygındır. Yansıtıcı gratinler, infrared bölgede çok üstün dağıtıcı (dispersiyon) özellikleri olan ve bu nedenle de prizmaların yerini alan elemanlardır. Gratinglerde, prizma sistemine göre ışın enerjisi kaybı daha azdır ve dolayısıyla daha iyi bir ayırma sağlanır, dağıtma hemen hemen doğrusaldır. Suya karşı dayanıklı oluşları da diğer bir iyi özelliğidir. İnfrared grating cam veya plastik bir malzemeden yapılarak aluminyumla kaplanır. Echellette gratingler Yansıtıcı gratingler, parlak bir metal yüzeye düzgün oyuklar çizilmesiyle veya master kalıptan hazırlanmış bir plastik model üzerinde ince bir aluminyum filmi çöktürülerek hazırlanır. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi, gelen ışın oyuğun yüzeylerinden birine çarparak yansır ve sonra yeni bir ışın kaynağı gibi hareket e- der. Farklı r açılarında yansıyan değişik dalga boylarındaki ışında girişim oluşur. Tipik echellette gratinglerde 1 milimetredeki hat sayısı 300-2000 arasındada olabilir; ancak yaygın olarak kullanılanları 1200-1400 hat/mm dolayındadır. Echellette-tip gratingin yüzeyine, geniş yüzleri ışını yansıtan, dar yüzleri ise etkisiz kalan oyuklar çizilmiştir. Bu geometri ışının çok yüksek verimle kırılmasını sağlar. Geniş yüzlerin herbiri bir nokta ışın kaynağı gibi davranır; bu durumda yansıyan 3,4 ışınları arasında girişim meydana gelir. Birbirini izleyen iki demet arasındaki girişimin yapıcı (artırıcı) özellikte olması için, bunların yol uzunlukları farkının gelen demetin dalga boyunun n (tam sayı) katı kadar olması gerekir. Şekil-a'da, paralel monokromatik ışın demetleri 3 ve 4, gratinge "grating normali" ile i gelme açısıyla çarpar. Yansıma açısı r olduğundan yapıcı girişim maksimumdur. 4 numaralı demet 3 numaralı demetten daha uzun bir yol izler, bu fark (C B - A D ) dır. Yapıcı girişimin oluşması için bu farkın n ya eşit olması gerekir. n = (C B - A D ) C A B açısı i açısına eşit olduğundan D A B açısı da r açısına eşit olur. Bu durumda basit trigonometrik ilişkiden aşağıdaki eşitlikler yazılabilir. C B = d sin i A D = - d sin r
19 grating normali 3 ve 4 = i açısıyla gelen monokromatik ışın demeti 3' ve 4' = r açısıyla yansıyan kırınmış ışın demeti n = d (sin i - sin r) (a) 2' 1 grating normali 1 ve 2 = i açısıyla gelen monokromatik ışın demeti 1' ve 2' = r açısıyla yansıyan kırınmış ışın demeti n = d (sin i + sin r) (b) http://people.whitman.edu/~dunnivfm/faasicpms_ebook/ch2/2_2_8.html Echelette-tip bir gratingin difraksiyon (kırınım) mekanizmaları
20 d, yansıtıcı iki yüzey arasındaki açıklıktır. (Negatif işaret yansımanın konveksiyondan oluştuğunu gösterir. r açısı, i açısına göre grating normalinin diğer tarafında ise işaret negatif,ayni tarafta ise (şekil b) pozitiftir. Son iki eşitliğin birincide yerine konulmasıyla yapıcı girişimin koşulunu veren eşitlik elde edilir. Şekil-b için: Genel eşitlik: n = d (sin i - sin r) n = (CB + BD) CAB = i DAB = r n = d (sin i + sin r) n = d (sin i ± sin r) i = gelen ışın ile normal arasındaki açı, r = dispers ışın ile normal arasındaki açı, n = difraksiyon derecesi (tam sayı), d = yapılar arasındaki mesafe (grating sabiti). Bu eşitlik, verilen bir r kırılma açısı için birkaç değeri bulunduğunu gösterir. Buna göre, r açısında 800 nm de bir birinci-derece hattı (n = 1) bulunduğunda, ayni açıda 400 nm de ikinci-derece, ve 267 nm de üçüncü-derece hatlar da bulunur. Normal olarak birinci-derece hattı en kuvvetli olanıdır; gratingler, gelen ışının %90 ı, bu sıraya göre toplanacak şekilde dizayn edilebilir. Daha yüksek-dereceli hatlar filtrelerle uzaklaştırılır. Örneğin, 350 nm nin altındaki ışını absorblayan cam, görünür bölgenin çoğunu kapsayan birinci-derece ışından daha yüksek derecelerdeki spektrayı absorblayarak uzaklaştırır. Echelle Gratingler Echelle grating, geleneksel (echelette) gratingden pek çok yönden farklıdır. Echelle grating kabadır, 1 mm deki oyuk sayısı daha azdır; hat sayısı ~80-300 hat/mm aralığında değişir. Echelette tiplerden daha yüksek açılarda ve daha yüksek difraksiyon derecelerinde çalışır; genelikle i= r, koşulunda kullanılır. (en fazla i- r = 40 0 olabilir.) Echelle gratingde, şekilde görüldüğü gibi, gelen ışık, kısa yiv yüzeyine çarpar (s) ve aynı kısa yüzeyden kırınır. Oysa, echelette gratingde ışığn geldiği ve kırındığı yüzey uzun yiv yüzeyidir (t). Echelle gratingin avantajlı tarafı, dispersiyon özelliğinin çok yüksek, dolayısıyla verimin de yüksek olması ve geniş spektral aralıklarda düşük polarizasyon göstermesidir. Aşağıda bir echelle gratingin şematik görünümü verilmiştir.
21 grating normali t = yivin uzun yüzeyinin uzunluğu s = yivin kısa yzeyinin uzunluğu i = gelen ışığın normalle yaptığı açı r = difraksiyon açısı s t Girinti-çıkıntıları geniş bir gratingden dağıtılan (dispers) ışık oyukların yüzeyine dik olarak çarptığından, yüksek rezolusyonlarda üst üste düşen bir spektrumlar serisi verir. Bu durum, echelle gratinge dik olarak yerleştirilen ikinci bir düşükdağıtmalı grating veya bir prizma ile giderilebilir. Aşağıdaki şekilde birinci element olarak bir echelle gratingin, ikinci element olarak da bir düşük dispersiyon prizmanın bulunduğu bir sistem görülmektedir. dalga boyu Echelle graing difraksiyon derecesi, n 30 0 prizma Echellette ve echelle gratinglerin performas özeliklerinin kıyaslanması Echellette Echelle Odak uzaklığı, cm 50 50 Hat sayısı, mm -1 1200 79 Difraksiyon açısı r veya 10 o 22' 63 o 26' Derece, n 1 75 Rezolusyon, 300 nm de 62400 763000 Doğrusal dispersiyon, A o /mm 16A 1.5A
22 Holografik Gratingler Holografik gratingler, özel bir maddeyle kaplanmış ve parlatılmış bir düzlem veya konkav veya çeşitli cam yüzeyler üzerinde optik bir teknikle (lazerler) hazırlanan gratinglerdir. Klasik gratingler düzlem veya konkavdır ve içerdikleri yivler birbirlerine paralel konumdadır. Oysa holografik gratinglerdeki yivler, sistemin performansını optimize edebilmek için, paralel olabildiği gibi eşit olmayan bir dağılım da gösterebilirler. Holografik gratingler düzlem, küresel, halka şeklinde ve diğer başka yüzeyler üzerinde oluşturulabilir. Bir düzlem sinüzoidal holografik difraksiyon gratingin yiv profili sinüzoidaldir; bu tip holografik gartingler çok yaygındır. Yiv yüzeyi ve yiv derinliği değiştirilerek enerji difraksiyonu ve spektral performans ayarlanabilir. Malzemeye, istenilen dalga boylarını içeren iki lazer ışın demeti gönderilir; demetlerin girişimi nedeniyle yüzey üzerinde sinüzoidal kesitli düz çizgilerden oluşan bir şekil meydana gelir. Blazed holografik difraksiyon gratingde ise sinüzoidal profil yerine testere-diş profili vardır; bu tip profil difraksiyon gratingin verimini artırır. Bunlar geleneksel gratinglere benzer; ancak üretiminde optik teknikler kullanıldığından, geleneksel tiplerde karşılaşılan bazı hataları ve düzensizlikleri göstermez. Çok çeşitli dalga boyu aralığını kapsayan holografik master garatinger vardır; tipik yiv yoğunluğu aralığı 1200 hat/mm den 4321 hat/mm ye kadar değişebilir. girişim hacmi lazer demeti fotohassas yüzey lazer demeti Holografik kayıtla yapılan yivlerin şekli sinüzoidal veya yalancısinüzoidaldir http://www.horiba.com/fr/scientific/products/diffractiongratings/catalog/definitions/holographically-recorded-gratings/ Bir düzlem holografik gratingin kaydedilmesi
23 Hlografik Filtreler Holografik filtreler iki uyumlu lazer demeti arasında oluşan girişim paternlerinin kaydedilmesiyle üretilir. Tüm tabakalar eş anlı olarak kaydedildiğinden çentiğin optik yoğunluğu yüksektir ve spektral bant genişliği çok dardır. Tabakalanma profili kare dalga değil de sinüzoidal olduğundan holografik filtrelerde yansıma bantları bulunmaz. demet ayırıcı lazer demeti 1 ön-yüzey ayna 2 2 1 şeffaf (geçirgen) yüzey ön-yüzey ayna 1 2 alt tabaka ince yüzey fotohassas film kalın-hacim fotohassas film ayna kaplı yüzey Geçirgenlik, % 100 4 80 3 60 40 2 10 0 0 0 20 1 holografik dielektrik 0 0 450 490 530 570 628 632 636 640 644 Dalga boyu, nm Dalga boyu, nm Absorbans
24 Monokromatör Slitleri Bir monokromatörün sliti onun kalitesini belirleyen önemli bir kısmıdır. Slit çeneleri, keskin ve çok düzgün işlenmiş iki metal parçasının birer ucudur. Slit kenarlarının birbirine tam paralel olmasına ve aynı düzlemde bulunmalarına özellikle dikkat edilmelidir. C A B D A B Slitlerin yapısı Bazı monokromatörlerde iki slitin açıklıkları sabittir; çoğu zaman açıklıklar bir mikrometre mekanizması ile ayarlanabilir özelliktedir. Giriş sliti bir ışın kaynağı görevi yapar; görüntüsü çıkış slitinin bulunduğu yüzey üzerinde odaklanmıştır. Işının birkaç farklı dalga boyu içermesi durumunda bu yüzey üzerinde her biri bir dalga boyuna ait olan, parlak hatlar şeklinde bir seri dikdörtgen görüntüler oluşur. Dağıtıcı eleman döndürülerek çıkış sliti üzerine özel bir hattın düşürülmesi mümkündür. Eğer giriş ve çıkış slitleri ayni büyüklükte ise (çoğunlukla da böyledir), giriş slitinin görüntüsü, teorik olarak, çıkış slitinin açıklığını tamamıyla doldurur (böyle bir durumda monokromatör ışının dalga boyuna ayarlanmıştır). Monokromatör girişinin bir yönde veya diğer yönde hareket ettirilmesiyle emitlenen ışının şiddetinde sürekli bir azalma meydana gelir, ve giriş-sliti görüntüsü, slit açıklığının tümüyle kaymasıyla, sıfıra düşer. Aşağıdaki şekilde, 2 dalga boyundaki monokromatik ışının çıkış slitine çarpması gösterilmiştir. Burada, monokromatör 2 ye göre ayarlanmıştır ve iki slitin genişliği bir birine eşittir. Giriş slitinin görüntüsü çıkış slitini tam olarak doldurmuştur. Monokromatörün 1 veya 3 ayarına kaydırılması durumunda görüntü de slit dışına kayar. Şeklin alt kısmındaki grafik, emitlenen ışın gücünün monokromatör aya-
25 rına göre değişmesini göstermektedir. "Band genişliği" giriş sliti görüntüsünün çıkış slitinin bir tarafından diğer tarafına geçmesi için uygulanan monokromatör ayar değerlerini göstermektedir, birimi dalga boyu birimidir. Polikromatik ışın kullanıldığında band genişliği ifadesi aynı zamanda, uygulanan bir monokromatör ayarına karşılık çıkış slitinden emitlenen dalga boylarını da tanımlar. monokromatör ayarı 1 2 3 çıkış yarığı Işın gücü, p etkin band genişliği 1 2 3 band genişliği, monokromatör ayarı, 2 monokromatik ışın ile değişik monokromatör ayarlarında bir çıkış slitinin ışıklandırılması; çıkış ve giriş slitleri birbirinin aynısıdır Bir monokromatörün "etkin band genişliği" de, bir dalga boyu ayarında, cihazın geçirdiği dalga boyu aralığının yarısı olarak, veya, elde edilen pik gücünün yarısındaki dalga boyu aralığı olarak tarif edilir. Bir cihazın, etkin band genişliği ve
26 bunun ayrılmış spektral piklerindeki etkinliği arasındaki ilişki gösterilmiştir. Burada, bir monokromatörün çıkış sliti, 1, 2, 3 dalga boylarının bulunduğu birleşik bir demette aydınlatılmıştır; üç ayrı demet de eşit şiddettedir. Üstteki şekilde cihazın etkin band genişliği, tam 1 ve 2 veya 2 ve 3 arasındaki dalga boyu farkına eşittir. Monokromatör 2 ye ayarlandığında bu dalga boyundaki ışın çıkış slitini tam doldurur. Monokromatörün iki yönden birine doğru hareket ettirilmesiyle 2 nin geçen kısmının şiddeti azalırken, diğer hatlardan birinin şiddeti (aynı miktarda) artar. Sağ taraftaki grafikte koyu çizgiyle gösterildiği gibi üç dalga boyunun birbirinden ayrılması mümkün olmaz. monokromatör ayarı 1 2 3 etkin bant genişliği geniş slit: yükek şiddet, zayıf rezolusyon P 4 dar slitl: düşük şiddet, iyi rezolusyon 3 daha dar slit: düşük şiddet, daha iyi rezolusyon 2 1 2 3 1 2 3 çıkış sliti Işın gücü, P, çıkış yarığından emitlenen P P 1 2 3 1 2 3 etkin bant genişliği etkin bant genişliği 1 2 3 http://www2.fiu.edu/~cai/index_files/ Chapter%207%20Components%20of%20Optical%20Instruments.ppt monokromatör ayarı, Slit genişliğinin spektraya etkisi; giriş sliti sadece 1, 2 ve 3 dalga boylarının bulunduğu bir demetle aydınlatılmıştır. Sağdaki eğriler emitlenen gücün monokromatör ayarının değiştirilmesiyle nasıl değiştiğini göstermektedir
27 Şeklin orta kısmındaki şemada, çıkış ve giriş slitlerinin açıklıkları, orijinal değerlerinin 3/4 ü olacak şekilde inceltilerek cihazın etkin band genişliği daraltılmıştır. Sağ taraftaki eğride, üç dalga boyuna karşılık ancak kısmen ayrılmış üç hat elde edilmiştir. Etkin band genişliği üç demetin dalga boylarının yarı değerine indirildiğinde ise, şeklin alt kısmında görüldüğü gibi, tam bir ayırma elde edilir. Bir monokromatörün etkin band genişliği prizma veya gratingin dispersiyonuna, ve giriş ve çıkış slitlerinin genişliğine bağlıdır. pek çok monokromatörde ayarlanabilir slitler kullanılır, böylece etkin band genişliğini değiştirmek mümkün olur. Dar absorbsiyon veya emisyon bandlarının ayrılması gerektiğinde en küçük slit genişliklerinde çalışılması önerilir. Ancak, slit genişliğinin azaltılmasıyla alınan ışın gücünde önemli zayıflama olur ve zayıf gücün doğru olarak ölçülmesi de çok zorlaşır. Bu nedenle spektral detayların önemli olduğu kalitatif çalışmalarda dar slitler daha uygun olduğu halde, kantitatif uygulamalarda geniş slitler kullanılmalıdır. Daha önce de belirtildiği gibi bir prizmanın dispersiyonu doğrusal değildir. Verilen bir etkin band genişliğinde ışın elde etmek için uzun dalga boylarında, kısa dalga boylarına göre, daha dar slitler kullanılması gerekir Şekilde Littrow prizmalı bir monokromatörün etkin band genişliğinin 1 nm olması için gerekli slit açıklıkları (mm olarak) verilmiştir. Bir gratingli monokromatörün avantajlarından biri, sabit bir slit genişliğinde, dalga boyuna bağlı olmaksızın, sabit band genişliğinde ışın elde edilebilmesidir. 0.3 Yarık genişliği, mm 0.2 0.1 0 200 300 400 500 600 700 Dalga boyu, nm Bir kuvartz Littrow prizmalı monokromatörden 1 nm lik sabit bir etkin band genişliği alınabilmesi için gerekli slit genişlikleri
28 0.700 bant genişliği 0.5 nm 0.600 bant genişliği 2 nm Absorbans Absorbans 0.100 220 Dalga boyu, nm 275 0.100 220 Dalga boyu, nm 275 Slit genişlinin spektral rezolusyona etkisi Bir monokromatörün çıkış sliti, cihazın ayarından çok farklı olan dalga boylarındaki az miktarda ışınla kirlenir. Bu istenmeyen ışının birkaç kaynağı vardır. Bunlar çeşitli optik parçalardan ve monokromatör bedeninden yansıyan demetler, ve optik parçaların yüzeylerinden veya atmosferdeki tozlardan saçılan demetlerdir. Bu sahte ışının etkileri, monokromatörün uygun yerlerine bafıllar (kırıcılar) konularak ve iç yüzeyleri siyah boya ile kaplanarak en aza indirilir. Ayrıca, monokromatör slitlerinin çevresi, toz ve duman girmemesi için pencerelerle sıkıca kapatılır. Bütün bu önlemlere rağmen, hala bir miktar sahte ışın emitlenir; bu durum da bazı koşullar altındaki absorbsiyon ölçmelerinde ciddi hatalara neden olur. Modern monokromatörlerin çoğunda iki dispersiyon elementi bulunur; Bunlar iki prizma, iki grating veya bir prizma ve bir grating olabilir. Böyle bir sistemle başıboş ışının miktarı çok aza indirilerek daha büyük dispersiyon ve spektral resolusyon elde edilir. Dispersiyon elemanlarından birinin bir grating olması durumunda, yüksek-dereceli dalga boylarını ikinci eleman (bir prizma) uzaklaştırır. Yararlanılan Kaynaklar Principles of Instrumental Analysis, D.A.Skoog, D.M. West, II. Ed. 1981 http://www.chem.unt.edu/golden/courses/lecture%206%20opt%20instr%202011.ppt