Самодельный спектрометр с высоким разрешением

в 8:58, , рубрики: diy или сделай сам, дифракционная решётка, исследование, конструирование, нанотехнологии, Научно-популярное, оптика, пламя костра, приборы, спектр, спектральный анализ, спектрометр, физика, химия, эксперименты
Радуга над плато УКОК на Алтае
Радуга над плато УКОК на Алтае

Хорошее разрешение достижимо

В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.

Самодельный спектрометр с высоким разрешением - 2
Самодельный спектрометр с высоким разрешением - 3

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Конструкция и изготовление прибора

Дифракционная решетка

Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске
Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске

Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.

Дифракционная решетка из DVD-R диска
Дифракционная решетка из DVD-R диска

Изготовление сменных оптических щелей

Самодельный спектрометр с высоким разрешением - 6

В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.

Корпус спектрометра

Самодельный спектрометр с высоким разрешением - 7

Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.

Оптика и регистрация спектра - фотоаппарат NIKON D5100

Зеркальная фотокамера NIKON D5100
Зеркальная фотокамера NIKON D5100

Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.

Самодельный спектрометр с высоким разрешением - 9

Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.

Настройка и калибровка спектрометра

Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.

Лампа для калибровки
Лампа для калибровки

Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.

Спектр лампы с линиями ртути
Спектр лампы с линиями ртути
Две линии ртути крупным планом
Две линии ртути крупным планом
Еще крупнее
Еще крупнее

Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3 пикселям матрицы. Делаем вывод – разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.

Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench

Спектр лампы, которую я применял для калибровки
Спектр лампы, которую я применял для калибровки

Измерение различных спектров

Были проведены несколько классических экспериментов.

Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень
Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень
Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм
Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм
Опыты по определению концентраций растворов KMnO4
Опыты по определению концентраций растворов KMnO4
Спектр пламени газовой горелки
Спектр пламени газовой горелки

Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр - измерение спектра пламени костра

Исследуемое пламя костра в камине
Исследуемое пламя костра в камине
Я разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени
Я разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени

На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.

Обработка результата

Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.

Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени
Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени

Что это за линия и как она возникает - читайте в моей статье "Спектральный анализ пламени костра. Что делает огонь желтым – наночастицы углерода или соли натрия?"

https://habr.com/ru/post/545710/

Полезные ссылки:

1.     Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.

https://spectralworkbench.org

2.     Информационная система «Электронная структура атомов». Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.

http://grotrian.nsu.ru/ru/periodictable/

Автор: Иван Маслов

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js