Вже не першій рік в моїй голові сидить ідея збудувати Фур'є спектрометр. Частково ця мотивація присутня через статтю одного кацапа, яку я прочитав ще у студентські роки, частоково через те, що я вже п'ятий рік працюю над статичним Фур'є спектрометром. Тим не менш, руки до справи дійшли тільки зараз. Незважаючи на теоретичну простоту приладу, його виготовлення вимагає досить багато знань і вмінь.
Теорія
Спекторметр базується на інтерферометрі Майкельсона:
Світловий пучок ділиться на дві частини напівпрозорою пластинкою і потім ці дві частини відбившись від дзеркал воз'єднуються на детекторі. Воз'єднавшись, вони інтерферують і бла бла бла. Сигнал на детекторі має дві складові: базову лінію, що є некогерентною сумою інтенсивностей обох пучків (тому всім все-одно на неї) і модуляцію, що і є оцими інтерферометричними хвильками. Модуляція є Фур'є перетворенням спектру світла, що досліджується. Тобто, за допомогою інтерференції, ми робимо оптичне Фур'є перетворення спектру. Якщо ж виконати обернене фур'є перетворення, то отримаємо спектр світла. Фур'є спетрометр має перевагу у відношенні сигнал/шум над іншими спектрометрами (перевага Фелгета), а його роздільна здатність визначається довжиною руху рухомого дзеркала, або іншими словами: максимальним оптичною різницею шляху між двома пучками. Через необхідність рахувати Фур'є перетворення, свого широкого використання ці спектрометри набули із появою хоч якихось обчислювачів, тобто у 60-70 роки.
Розробка
Перш ніж щось робити, варто визначитись з метою. Для мене це хобі і моя мета є весело провести час. Тому бюджет є мінімальним і це визначає всю конструкцію приладу.
Прилад складається з трьох основних частин:
- Оптична частина
- Телескоп і обмежувач поля зору
- Вхідний коліматор
- Світлоподільник
- Вихідний коліматор
- Два дзеркала з можливістю регулювання нахилу
- Детектор
- Механізм переміщення дзеркала
- Сам механізм
- Двигун
- Метрична частина (наразі відсутня)
Телескоп і два коліматори -- це однакові лінзи з фокусною відстанню 50 мм (діаметр 30 мм) що я знайшов на алі. Звідти ж за 10 євро я купив світлодільник. Звичайно на жоден з оптичний компонентів я не маю характеристик, але для цього макету вони не сильно треба. Знаючи товщину, скло і фокусну відстань можна віднайти радіус кривизни лінзи. Прикинувши приблизно оптичну схему можна підкоректувати відстані між лінзами у Zemax
Тут куб-світлодільник з'являється двічі, бо мені лінь заморочуватись із дзеркалами і ламанням аксіальної симетрії. При апертурі 12 мм, затемнення починається від 1.3 градуса, що відповідає розміру детектуючої площі мого детектора OPT101.
Дзеркала, що я обрав є з молібденовим потриттям. Їх недоліком є лише 50% відбиття у видимому світлі, а перевагою 3.5 євро за штуку.
Для оптики я змоделював і роздрукував отаку структуру:
Лінзи заходять в пази, а світлодільник фіксується класично -- пружиною в одній точці (з другої сторони пластинки є капелька припою). Тут дзеркала змонтовані прямо в корпус, бо я гадав, що це буде корисно в юстуванні, але це була помилка (потрібне керування нахилу дзеркал). Також варто зробити підпружинене монтування лінз.
Про механіз лінійного переміщення я розповідав раніше. Тепер я додав басовий динамік, аби його рухати. Аби причепити динамік, до його цетру я приклеїв пластмасову стойку. Суперклей тріснув і стійка відпала, а от ПВА клей поки тримає. Тому для динамічної системи варто використовувати клей, що має певну гнучкість. Динамік підняв висоту усієї системи, це варто врахувати у наступній ітерації приладу. На каретку встановлено примітивний механізм нахилу дзеркала. Для керування динаміком/переміщенням я використовую аудіопідсилювач і генератор.
У іншому плечі теж є ці два механізми, але без моторизації. Я поставив механізм переміщення аби знайти точку нульової різниці шляху. Найбільший недолік на даний час-- це відсутність жорсткості: при переміщенні каретки я нахиляю дзеркало і втрачається контраст інтерференції.
У зібраному вигляді спекторметр виглядає ось так:
Це не є елегантним рішенням і я його точно перероблю, але наразі задача цього прототипу є виявити усі можливі проблеми.
Перше випробовування
Спектрометр запустився з пів-копня: зцентрував відбитий пучок від дзеркал на детекторі і знайшов нульову різницю шляху підкручуючи положення нерухомого дзеркала.
Відео роботи:
І ось перша інтерферограма від лазерного-діода вказівки:
Якщо спробувати наївно проаналізувати цю інтерферограму, то отримаємо спектр цього лазерного діода:
Найбільша проблема це відсутність метрики: невідомо який шлях пройшло рухоме дзеркало. Шкала різниці шляху тут отримана підкручуванням кроку скану, аби отримати пік спектру указки в правильному місці (635 нм приблизно). Аналогічно можна дивитись на період інтерферограми.
Інша ілюстрація необхідності метрики є нижче
Тут наведено дві інтерферограми, що були проаналізовані з припущенням про однаковий крок зчитування в інтерферограми. Але отримані спектри різняться (на око виден зсув). Можливо це і сам діод поїхав, бо різниця в кілька нанометрів, але наймовірніше це спектрометр.
Отже, наступними кроками будуть додати жорсткості нерухомому дзеркалу і перевигадати лазерну лінійку для метрики.