CHAPTER 6SPEKTROSKOPI OPTIK

Metode spektroskopi membutuhkan kecocokan antara sumber cahaya dan peralatan spektrum dalam menganalisis radiasi, hal ini dapat diaplikasikan dalam menemukan struktur tingkat energi secara umum pada rentang energi yang sesuai seperti UV, cahaya tampak, cahaya IR. Skema tingkat energi untuk atom dan ion pada keadaan muatan yang berbeda dapat ditemukan dari analisis spektral di are panjang gelombang yang berbeda, sebagaimana didiskusikan pada chapter 2. Banyak garis spektral yang diteliti adalah monograp standar. Struktur hyperfine dapat dipelajari dalam banyak kasus menggunakan instrument dengan resolusi tinggi. Penelitian pertama dari struktur hyperfine menggunakan optikal spektra dilakukan pada abad 19 oleh A. Michelson (1891) dan Ch. Fabry dan A. Perot (1897). Pembahasan struktur sebelumnya diajukan pada akhir tahun 1807-an. Metode optik dalam mepelajari struktur hyperfine secara khusus sangat cocok, saat ditemukannya s-elektron yang tidak berpasangan (struktur hyperfine yang luas). Sejumlah besar inti telah dipelajari dengan menganggap sebagai spin inti dan momen selama tahunan. Banyak isotop radioaktif yang juga dipelajari mengguanakan sampel yang sangat kecil. Meskipun metode optikal klasik mempunyai akurasi yang rendah dibanding dengan metode resoansi (chapter 7) atau teknik laser (chapter 9), namun memiliki ruang aplikasi yang luas. Sejumlah besar tingkat eksitasi dapat dipelajari melewati struktur dari sebagian besar garis yang diapancarkan oleh sumber cahaya. Struktur pada garis spektral, menghubungkan keadaan grounded atau keadaan yang berada pada kelompok yang metastabil dengan tingkat yang lebih tinggi, keadaan short-lived, yang juga merupakan suatu hal bisa dipelajari melalui eksperimen absorpsi, yang mana absorpsi atomik telah di catat sebagai distribusi spektral kontinu. Teknik spektroskopi optik klasik akan di jelaskan lebih lanjut di [6.6-6.8]

6.1 light sourceBanyak tipe sumber cahaya (lampu) dalam pengembangan penyelidikan spektroskopi atom. Jika radiasi dari sumber dianalisis langsung, dalam hal ini lampu, tentu saja, mengandung jenis atom yang berasal dari pemancaran spektral yang dipelajari. Begitu juga sumber cahaya di desain sebagai garis sumber cahaya. Jika sumber cahaya digunakan untuk eksitasi atom yang dipelajari dengan metode spektroskopi, banyak sumber cahaya yang menghasilkan intensitas yang cukup terhadap panjang gelombang eksitasi yang digunakan; kejadian yang terjadi di waktu bersamaan antara garis dari elemen yang berbeda, contohnya, jika digunakan garis close-lying dapat menyebabkan kebingungan dalam analisi spektral yang sebelumnya terdaftar.[6.9]. Bagaimanapun, ketepatan waktu itu sangat jarang terjadi, dengan menganggap bahwa normalnya garis tidak akan melebihi 0,001nm. Pada eksperimen sebenarnya (ekperimen absorpsi) Continum light source yang tidak menghasilkan spekrum garis yang terkarakteristik, dapat digunakan, dengan tujuan berguna untuk eksitasi, kecuali pita absorpsi yang ditetapkan. Berlawanan sekali degan group ketiga sumber cahaya, laser. Disini, intensitas tiap interval spektral banyak digunakan pada magnitude yang tinggi dari pada yang ditemukan pada sumber cahaya. Kadang-kadang hanya transisi laser pada frequensi laser yang tepat [6.10], atau kejadian yang bersamaan dapat dipelajari. Bagaimanapun, laser yang sesuai sudah ada, sehingga membuat aplikasi yang umum untuk sifat yang unik dari laser mungkin dapat dilakukan pada spektroskopi. Laser akan didiskusikan pada chapter 8.6.1.1 line light sourcesAkurasi dalam pengukuran spektroskopi ditentukan oleh ketajaman garis yang diukur. catatan eksperimen mengenai lebar dari garis memiliki dua kontribusi: lebar primary (dari sumber) dan lebar instrumen dari peralatan spektral yang digunakan. Kita pada awalnya menganggap bahwa faktor yang berkontribusi untuk lebar primary adalah sumber cahaya. Faktor luasan juga relevan pada ekperimen absorpsi. Kita sudah sepakat bahwa lebar radiasi alami (luasan homogen) di tingkat energi pada chapter 4. Untuk kebanyakan sumber cahaya lebar ini cukup kecil dibandingkan dengan luasan doppler. Dikarenakan bermacam-macam kecepatan dan arah dari pergerakan sebuah atom yang sedang diselidiki, cahaya dengan interval frekuensi yang spesifik dapat dipancarkan atau di serap. Seperti ilustrasi pada gambar 6.1.Luasan doppler adalah sebuah contoh dari luasan yang tidak homogen, pada atom yang berbeda berkontribusi pada bagian profil garis. cahaya memiliki frekuensi v0, dipancarkan dari sumber yang sedang bergerak dengan kecepatan termal v, untuk dekat (v>0) atau jauh (v 10 -3 torr) dalam kisaran suhu di mana kaca atau quaitz vessels dapat digunakan (di bawah 1000 C), lampu disegel di bawah vakum tinggi setelah sejumlah kecil dari Unsur bunga telah dibawa ke dalamnya dengan memanaskan segumpal materi yang disimpan dalam sidearni dari manifold vakum. kotak Lampu disegel akan ditempatkan di kumparan RF di dalam oven, dan daya RF dari biasanya l00 W diterapkan. Jenis lampu yang sering digunakan untuk atom alkali pada suhu rendah diperlukan dalam kasus ini, tekanan uap logam dapat diatur secara akurat oleh sirkulasi minyak sekitar jari dingin di kotak lampu, yang disimpan pada temperatur sedikit lebih tinggi. titik Terdingin pada kapal akan menentukan tekanan uap logam.

Di lampu Heam atomik, tembakan atom dirangsang dalam kumparan RF, dan cahaya yang dipancarkan pada sudut kanan pada tembakan atom yang dikumpulkan. Dengan cara ini perluasan Doppler dari garis emisi akan jauh berkurang. Prinsip yang sama untuk pengurangan lebar garis digunakan dalam pengukuran penyerapan, di mana penyerapan dari distribusi panjang gelombang terus menerus oleh atom direkam pada sudut kanan pada tembakkan atom yang dikumpulkan. Lebar Doppler yang dihasilkanketika atom dengan arah yang diinginkan gerak yang digunakan dapat hitung dengan cara yang sama seperti untuk kasus dengan arah gerak merata. dikasus praktis, lebar garis lebih dari puluhan MHz diperoleh dalam penyerapan optik pada pengukuran tembakan atom, dengan kecepatan termal (beberapa ratus m/s). [6,17-6,23]. Berikut sinar dari laser daya tinggi difokuskan ke posisi kecil di permukaan dari substrat logam. Biasanya Nd: Laser Kaca (Chap, 8) digunakan dengan energi pulsa sekitar 10 J dan panjang pulsa beberapa ns. Suhu plasma setinggi 10 6 -10 7 K diperoleh. ionisasi terjadi sangat cepat dan pada keadaan ionisasi rendah tidak punya waktu untuk memancarkan. Keadaan maksimum ionisasi (hingga 60 elektron dihapus)dapat bervariasi dengan mengubah energi pulsa dan fokus. Laser menghasilkan spektrum plasma lebih mudah untuk diterima daripada spectrum dari percikan spark, di mana sejumlah besar tahap ionisasi secara bersamaan menghasilkan garis spektrum. Khususnya, jika bahan target dengan Z yang tinggi menggunakan kontinum X-ray lembut yang kuat juga akan diperoleh. Radiasi ini sebanding dengan yang dihasilkan oleh elektron sinkrotron (Bag. 6.1.3). Radiasi gelombang pendek tersebut sangat berguna baik untuk penyelidikan spektroskopi dan aplikasi teknis seperti mikroskop sinar-X hthography kering sehubungan dengan semikonduktor produksi sirkuit (lihat Sekte. 5,1,3 dan 9.6.4).Dalam penelitian fusi laser-driven tembakan daya tinggi yang dibuat untuk menabrak target kecil deuterium dan tritium [6.24]. Hal ini juga memungkinkan untuk mempelajari terionisasi sangat tinggi dari spektrum generator plasma lain yang digunakan dalam penelitian fusi,seperti mesin tokamak, Sebuah sumber cahaya plasma yang lebih kecil adalah pinch theta, di mana pulsa arus kuat dalam memaksa satu putaran coil dan kontrak padaplasma. Analisa spektral dari cahaya plasma berfungsi penting sebagai alat diagnostik dalam mesin penelitian fusi [6,25].Akhirnya, sumber sinar-foil dan aplikasi akan dijelaskan. Teknik ini diperkenalkan pada tahun 1963 oleh Bashkin dan Kay [6,26, 6,27]. Prinsip-prinsip spektroskopi sinar-foil diilustrasikan pada Gambar, 6.3, Ion dari elemen yang akan diteliti diproduksi dari energi yang terdefinisi dengan baik (kecepatan) dalam akselerator ion. Ion-ion (dengan kecepatan khas 10 6 m s /) melewati 50 nm foil karbon tebal, di mana eksitasi sangat mendadak terjadi (waktu bagian adalah ~ 10 -14 s). perbedaan ion dibentuk dengan paksa. Sebuah elektron juga dapat diambil dan atom netral kemudian dibentuk. Keadaan tereksitasi akan meluruh setelah melewati foil dan spektrum yang sesuai dapat direkam dengan spektrometer. Karena hamburan lateral tertentu dalam foil dan karena sudut yang solid terbatas maka harus digunakan untuk mendeteksi foton, perluasan Doppler untuk partikel cepat akan besar, biasanya beberapa 0,1 nm. lebar garis bagaimananpun dapat dikurangi dengan menggunakan teknik pencitraan khusus (refocnsing) [6.28]. Sebuah sinar-foil spektrum khas ditunjukkan pada Gambar. 6.4.

Karena kecepatan partikel diketahui, skala waktu yang ditentukan diperoleh setelah foil dan peluruhan dapat diamati secara langsung. seperti pengukuran foil biasanya bergerak maju-mundur sementara sistem deteksi tetap tetap, kehilangan energi tertentu dan kecepatan penyebaran (terurai) diperoleh sebagai ion melewati foil dan efek kecil bisa dipelajari jika kecepatan analisa elektrostatik ditempatkan setelah foil, seperti diilustrasikan pada gambar. waktu hidup dari keadaan tereksitasi atom dan ion dapat dengan mudah diukur dengan metode sinar-foil. Sejak proses eksitasi ini tidak selektif, kurva peluruhan harus hati-hati dianalisis sehingga peluruhan dari keadaan yang lebih tinggi dapat diidentifikasi dan diperbaiki untuk [6.30, 6.31]. Pengukuran Lifetime menggunakan teknik sinar-foil yang diilustrasikan pada Gambar. 6.5. Metode tembakan foil menghasilkan kekuatan sinyal rendah, karena kepadatan partikel dalam berkas biasanya 10 5ion / cm2. Ion akselerator di rentang energi yang berbeda dapat digunakan: dari pemisah massa menghasilkan 100 keV energi untuk akselerator berat-ion menghasilkan energi partikel hingga 300 GeV. Atom terionisasi 90 kali telah diamati. Dalam rangka untuk menentukan baris milik keadaan ionisasi tertentu, medan listrik yang kuat dapat diterapkan yang mengalihkan balok sesuai dengan negara yang bertanggung jawab atas berkas ion konstituen.

Sebagai akibat dari eksitasi foil secara tiba-tiba , atom dan ion bisa diarahkan pada keadaan kuantum mekanik yang merupakan superposisi koheren eigenstates. Dengan "koheren" kita maksud dalam konteks ini bahwa hubungan yang terdefinisi ada antara faktor fase eigenstates yang berbeda. Jika sublevels tidak sama namun tingkat tertentu "keselarasan" membawa, beberapa komponen dari cahaya yang meluruh, secara tiba-tiba keadaan dimodulasi pada frekuensi yang sesuai dengan pembagian energi antara substates. keselarasan dapat diperoleh dalam proses eksitasi beamfoil, terutama jika simetri rusak dengan memiringkan foil berhubungan dengan sinar ion [6.33]. Thal ini disebut spektroskopi kuantum-beat, yang diperlakukan secara teoritis untuk kasus tembakan-foil pada [6.34], sangat berguna untuk mengukur garis dan pemisahan struktur hyperfine. Teknik ini diilustrasikan pada penemuan struktur yang bagus dari 4He pada gambar 6.6. sebua contoh struktur hyperfine kuantum diberikan pada Gambar. 6.7. Kami akan kembali ke quantum-beat eksperimen di Sect. 9.4.5, di mana kasus yang lebih baik didefinisikan optik (laser) eksitasi dibahas.Sebagaimana telah kita lihat, sumber sinar-foil menawarkan banyak kemungkinan untuk studi spektrum, daya tahan dan tingkat pemisahan , dan data yang ekstensif telah dikumpulkan selama 30 tahun [6,37-6,41] lalu. Ulasan Komprehensif bidang spektroskopi sinar-foil telah ditulis [6,42-6,48].

6.1.2 Continum Light Sourceblack-body emitter adalah jenis yang paling sederhana dari sumber cahaya kontinum. Radiasi dari pita tunggsten dipanaskan pendekatan bahwa dari emitor Planck. Namun, untuk suhu tertentu hanya sekitar 30% dari daya yang dipancarkan oleh bagian yang benar-benar hitam diperoleh (emisivitas: 30%). suhu tertinggi dicapai dengan cara ini adalah 3400 K. Biasanya, suhu yang bekerja untuk lampu tungsten adalah sekitar 2900 K. lampu seperti ini berguna dalam panjang gelombang 320 nm wilayah 2,5 m. Diagram Planck-radiasi untuk suhu karakteristik tertentu ditunjukkan pada Gambar, 6.8, yang juga menggambarkan perpindahan dari panjang gelombang emisi maksimum terhadap panjang gelombang yang lebih pendek dengan meningkatnya suhu (hukum perpindahan Wien: max T -1). Untuk wilayah IR yang disebut pandangan marah Nernst sering digunakan. Ini terdiri dari batang pemanas dari disinter cerium dan zirkonium oksida (1500-2000 K).

Dalam UV dan daerah terlihat lampu memanfaatkan debit gas yang sering digunakan. Dalam lampu deuterium pada tekanan beberapa puluhan Torrs, garis spektrum yang diperluas untuk spektrum continyu seperti hanya puncak tertentu yang tersisa. Wilayah praktis digunakan adalah 180-380 nm. Lampu dengan tekanan yang lebih tinggi juga dapat digunakan. Dalam xenon dan mercury lampu tekanan puluhan atmosfer yang sering digunakan. Distribusi spektral beberapa lampu gas-diisi disajikan pada Gambar. 6.9. Meskipun daya output total dari sumber kontinum semacam ini bisa sangat tinggi (> IKW), kekuatan dalam suatu wilayah sesuai dengan garis serapan atom individu (0,001-0,005 nm) selalu kecil.

6.1.3 Syncontron RadiationSelama beberapa tahun terakhir elektron synchrotrons telah sering digunakan sebagai sumber radiasi kontinum. aslinya, radiasi yang diperoleh "secara parasit" dari mesin yang dibangun untuk percobaan fisika nuklir. Akhir-akhir ini, banyak mesin yang didedikasikan untuk beberapa cahaya telah dibangun.Karena percepatan sentrifugal yang kuat (~10 16 g untuk elektron dengan kecepatan dekat dengan c dalam orbit dari 1 m radius), elektron akan memancarkan radiasi. Pada kecepatan rendah pola emisi adalah dosa normal 'distribusi 6 dipol dengan jari-jari orbit sebagai sumbu simeteri (Gambar. 6.10). Karena relativistik efek karakteristik emisi akan sangat memuncak dalam sesaat arah penerbangan dari berkecepatan tinggi elektron [6.49, 6.50]. Sudut pembukaan emisi kerucut berbanding terbalik dengan energi elektron dan biasanya sebagian kecil dari gelar. Cahaya terpolarisasi linier. Total daya meningkatkan radiasi sinkrotron sebagai kekuatan keempat elektron energi E.(6.10)

di mana I adalah arus tembakan elektron dan R adalah jari-jari orbit elektron . secara klasik frekuensi radiasi yang dipancarkan oleh edaran elektron akan menjadi kebalikan dari periode revolusi dan biasanya besarnya 10 MHz. Namun, karena efek relativistik terhadap tingkatan sangat tinggi maka dipancarkan pada kekuatan tinggi. Karena waktu yang singkat untuk radiasi pinggiran dari elektron individu akan menyapu detektor dan fluktuasi energi dan posisi orbit, distribusi frekuensi diolesi keluar ke kontinum yang meluas pada panjang gelombang yang sangat pendek. Sebuah sinkrotron sumber radiasi biasanya diklasifikasikan oleh karakteristiknya panjang gelombang . (6.11)Distribusi intensitas maksimum cukup dekat dengan c. karakteristik Panjang gelombang yang khas, mesin besar sekitar 1 nm. Hal ini dimungkinkan untuk mengungkapkan distribusi setiap radiasi sinkrotron elektron dalam satuan intensitas normal menggunakan panjang gelombang karakteristik sebagai unit panjang gelombang. Fungsi distribusi universal ditunjukkan pada Gambar. 6.11. agar mencapai intensitas radiasi yang tinggi cincin penyimpanan elektron digunakan. Tata letak cincin seperti ditunjukkan pada Gambar. 6.12. Dalam cincin ini, dipompa oleh (diisi dari) akselerator elektron, arus yang keluar sebesar 1A dapat diperoleh. Menggunakan medan frekuensi radio dengan energi yang cukup dikirimkan ke elektron untuk mengkompensasi kehilangan radiasi. (Com.pare dengan model atom Bohr!) Di cincin elektron tersebut diatur dalam sirkulasi tandan. Dengan demikian emisi seperti yang terlihat oleh pengguna yang ditempatkan tangensial ke orbit akan berdenyut dengan lebar pulsa di wilayah subnanosecond dan tingkat pengulangan urutan MHz ke GHz. Jadi percobaan waktu yang diselesaikan dapat ditunjukkan di [6.51, 6.52]. Data untuk sejumlah fasilitas produksi radiasi sinkrotron diberikan dalam Tabel 6.1. Dengan synchrotrons ukuran resonable intensitas per lebar Doppler yang dicapai sebanding dengan yang diperoleh dari sumber cahaya halus efisien. Namun, intensitas meningkat terhadap UV ekstrim (XUV) dan wilayah X-ray, di mana tidak ada sumber cahaya kontinum sebanding ada.

Kinerja syncrotrons dan cincin penyimpanan dapat lebih ditingkatkan dengan menggunakan wigglers atau undulators [6.53]. pada bentuk jenis sistem angka lokal, belokan tajam dalam tembakan elektron yang dibuat menggunakan magnet yang kuat. Dengan cara ini emisi lokal panjang gelombang pendek masih dapat diperoleh, lihat (6.11). Sebuah modulator struktur berkala magnet pada bagian yang lurus dari jalur elektron antara magnet bengkok besar pada mesin, di mana elektron yang bolak-balik menghasilkan radiasi yang sangat kuat pada panjang gelombang yang sempit (pita fundamental dan band nada tinggi) dan dalam arah yang jelas. Dengan memperkenalkan tindakan cermin laser yang cocok dapat dicapai dalam apa yang disebut Free-Electron Laser (FEL) [6.54- 6.62]. Radiasi merdu dengan kekuatan sangat tinggi pada akhirnya harus layak.Beberapa FEls sekarang beroperasi memproduksi radiasi tuneable sebagian besar meliputi IR, wilayah spektral. Operasi FEL di daerah tampak dan UV juga telah dibuktikan di beberapa fasilitas. Generasi cahaya koheren dari undolator mungkin tanpa memakai cermin laser di proses klystron optik [6.63]. Dalam undulators yang sangat panjang dengan kualitas elektron-beam sangat tinggi SASE (Self-Amplified Spontan Enussion)-Operasi FEL haruslah mungkin [6.64], perangkat tersebut, kini dibangun, misalnya, di DESY (Hamburg), yang memiliki potensi untuk menghasilkan radiasi koheren ultra-intens turun ke kisaran 10 nm dan mungkin lebih rendah. The Inverse Laser Free-elektron (IFEL) aksi [6.65] dapat digunakan untuk mempercepat elektron menggunakan sinar laser intens.Radiasi Synchrotron memiliki banyak aplikasi dalam sejumlah besar ilmiah dan industri bidang: fisika, kimia, biologi, kedokteran dan elektronik. Berkenaan dengan spektroskopi atom dan molekul, radiasi sinkrotron ini terutama berlaku untuk X-ray dan fotoelektron studi. Di sebagian besar percobaan itu perlu untuk memiliki foton monochxomatized, whicJa dapat diperoleh dengan menggunakan monochromators dirancang khusus mampu menangani radiasi. Pengaturan untuk studi ESCA (Bag. 5.2) dengan menggunakan radiasi sinkrotron ditunjukkan pada Gambar. 6.13. Daerah lain yang penting di mana radiasi sinkrotron dapat diterapkan adalah EXAFS (Extended Penyerapan X-ray Struktur Halus spektroskopi, Sect. 5.1.2). Spektrum A dapat direkam dalam biasanya 1/1000 waktu yang dibutuhkan ketika sumber sinar-X konvensional digunakan, radiasi Synclirotron dan aplikasinya telah dibahas dalam [6.67-6.72].

6.1.4 Natural Radiation SourceSehubungan dengan sumber cahaya kontinum kita juga akan mempertimbangkan beberapa sumber radiasi alam. Matahari jelas merupakan sumber radiasi yang paling kuat dan, terlepas dari sejumlah besar penyerapan dan emisi garis, pada dasarnya hal itu memancarkan seperti sumber radiasi Planck pada suhu 6000 K (Gambar. 6.14). Bulan memperlihatkan distribusi yang sama, meskipun sekitar 106 kali lebih lemah. Langit yang cerah juga menghasilkan distribusi kontinum seperti (Gbr. 6.15). Distribusi dari matahari meningkat menuju wilayah biru karena ketergantungan panjang gelombang yang kuat dari hamburan Rayleigh. Selanjutnya, ada seorang jenderal ~ 300 K radiasi di wilayah IR karena emisi panas atmosfer. Distribusi spektral langit malam ditentukan oleh bintang-bintang tersebar, seperti galaksi dan cahaya zodiak (Gbr. 6.16).

6.2 Spektral Resolution InstrumentInstrumen resolusi spektral dari berbagai jenis yang digunakan untuk menyelesaikan komponen panjang gelombang cahaya yang berbeda. Faktor-faktor penting jasa untuk perangkat tersebut menyelesaikan daya dan transmisi cahaya. penyelesaian daya R didefinisikan oleh(6.12)di mana adalah lebar garis yang dihasilkan dari alat spektral saat menggunakan cahaya monokromatik dengan panjang gelombang . kita akan menjelaskan empat jenis instrumen: prisma dan kisi-kisi instrumen, interferometer Fabry-Perot dan spektrometer. Sejumlah besar varietas ini jenis kapak yang digunakan dalam penelitian spektroskopi dan apphcations vaxious. Instrumen spektroskopi telah dibahas dalam [6.6, 6.7, 6.75].

6.2.1 Prisma SpectrometerNama-nama seperti spektrometer, spektroskop, spektrograf atau monokromator digunakan untuk dasarnya untuk jenis instrumen yang sama, yang diterapkan dengan cara yang berbeda. Prinsip spektrograf prisma yang di ilustrasikan pada Gambar. 6.17. penyelesaian daya R ditentukan oleh dispersi, dn / d, dan panjang prisma dasar b(6.13)Jika prisma yang terbuat dari batu kaca (dn / d = 1200 cm -1pada ~500nm) dan memiliki panjang dasar 5 cm, maka penyelesaian daya R akan bernilai 6000. Untuk alasan praktis ukuran prisma harus akan dibatasi dan dengan demikian jenis spektrograf ini akan diperlukan resolusi yang relatif rendah. batas Lebar celah yang digunakan jelas akan mengurangi penyelesaian daya teori yang diberikan di atas. Karena dispersi prisma meningkat terhadap panjang gelombang yang lebih pendek, resolusi diperoleh pada instrumen prisma akan bervariasi terhadap panjang gelombang. Pada Gambar. 6.18 yang dispersi bahan prisma yang berbeda akan ditampilkan. Gambar 6.19 menampilkan lebar celah yang diperlukan untuk mencapai pita 1 nm pada spektrometer prisma khas.

Instrumen komersial yang sering digunakan dengan sebutan gunung Littrow. Berikut prisma Littrow dengan sudut 30 dan satu permukaan perak, seperti ditunjukkan pada Gambar. 6.20, digunakan untuk meningkatkan dispersi. Pengaturan dengan lensa atau cermin dapat digunakan untuk pengumpulan cahaya yang masuk ke prisma dan untuk memfokuskan balok dibiaskan terhadap pelat fotografi atau celah keluar.Prisma dari berbagai jenis dapat digunakan untuk membelokkan atau menyimpang seberkas cahaya. Mereka dapat membalikkan atau memutar gambar dan mereka dapat digunakan untuk pemisahan keadaan yang berbeda dari polarisasi. Beberapa prisma yang sering digunakan dalam sistem optik dan spektroskopi akan dibahas di sini. Ilustrasi ditemukan pada Gambar. 6.21.Sebuah prisma sudut kanan menggunakan refleksi internal total dari kemiringan simpangan yang tidak dilapisi beam sebesar 90 , jika gambar tegak lurus terhadap salah satu permukaan pintu masuk. Jenis prisma ini sangat berguna untuk penyimpangan daya tinggi sinar laser.

Dalam Amici (atap) prisma, sisi miring dalam prisma sudut kanan digantikan oleh dua permukaan reflektor internal yang berorientasi pada 90 satu sama lain (atap). Prisma ini juga mengalihkan sinar sebesar 90 tetapi pada saat yang sama berputar gambar dengan 180 . The penta prisma-mengalihkan sinar yang masuk sebesar 90 terlepas dari sudut insiden dan tidak membalikkan atau membalikkan gambar. prisma ini tidak beroperasi pada refleksi internal total tetapi membutuhkan lapisan cermin di dua wajah.Prisma Pellin-Broca juga membelokkan sinar sekitar 90 tetapi itu merupakan prisma dispersif, sering digunakan untuk sinar laser terpisah warna yang berbeda setelah konversi frekuensi nonlinear (Bag. 8.6). Dengan menggabungkan empat prisma Pellin- Broca, pemisahan balok dengan arah dipertahankan propagasi dapat dicapai. pada view lurus warna prisma tersebar didepan arah yang di capai. prisma dove juga mengirimkan cahaya dalam arah maju tapi tanpa dispersi. prisma ini memiliki sifat penting dari memutar gambar (dua kali tingkat angular prisma). Sebuah prisma kubus dengan total tiga wajah pantulan internal orthogonal, bertindak sebagai reflektor. Sebuah sinar memasuki sudut kubus akan, setelah 3 refleksi, akan dikirim dalam arah yang berlawanan terlepas dari sudut insiden. Sering, reflektor sudut kubus ai'e terbuat dari 3 cermin pertama-permukaan bukan dari kaca padat atau kuarsa.

6.2.2 Grating SpectometerSebuah kisi refleksi digunakan untuk pemisahan spektral dalam spektrometer kisi. Susunan dasar ditunjukkan pada Gambar. 6.22. Interferensi konstruktif diperoleh ketika jalan perbedaan optik adalah angka integer {m) panjang gelombang untuk difraksi di jalur yang berdekatan, seperti yang diungkapkan oleh persamaan kisi(6.14)Berikut d adalah pemisahan garis dan dan sudut insiden dan refleksi, masing-masing. penyelesaikan daya R dari kisi-kisi ditentukan oleh jumlah baris terangi N dan urutan difraksi m, yaitu.

(6.15)Jadi 10 cm kisi dengan 3000 garis/cm memiliki daya penyelesaian 30 000 diurutan pertama. Kisi-kisi pertama kali dibuat oleh J. Praunhofer pada tahun 1823. Biasanya, kisi yang diperintah di lapisan permukaan aluminium pada substrat dengan menggunakan ujung berlian. peran ini dilakukan oleh mesin dengan presisi tinggi, yang secara interferometri terkendali. Kisi-kisi replika yang dipasarkan, diproduksi oleh prosedur casting. Selama beberapa tahun terakhir kisi-kisi hologram telah banyak digunakan. Kisi-kisi ini diproduksi dengan merekam pinggiran gangguan dari dua sinar laser yang bersebrangan. Sebuah Ar+ Laser yang bekerja pada photoresist dapat digunakan. dengan kepadatan hingga 6000 garis / mm dapat dicapai.Intensitas yang dibiaskan pada panjang gelombang tertentu tergantung pada bentuk garis. Kisi-kisi yang dibuat dengan sudut "api" tertentu, dipilih sesuai dengan yang daerah panjang gelombang yang akan enlianced melalui tindakan reflektif (Gbr. 6.23). efesiensi dari kisi-kisi yang bisa sampai 70% pada sudut api untuk urutan tertentu. Baru-baru ini, juga telah menjadi mungkin untuk menghasilkan kisi-kisi dengan kobaran api dengan proses holografik. dari perintah mekanisme kisi-kisi yang disebut garis hantu dapat muncul karena kesalahan berkala dari mekanik mesin. garis tersebut tidak dihasilkan dari kisi-kisi hologram, yang juga memiliki tingkat yang lebih rendah dari cahaya tersebar (cahaya liar). Sedangkan urutan difraksi pertama biasanya digunakan dalam spektrometer kecil, urutan difraksi tinggi sering digunakan dalam instrumen penelitian besar. Salah satu kelemahan dari spektrometer kisi-kisi adalah bahwa untuk kisi tertentu pengaturan serangkaian panjang gelombang (o, o / 2, o / 3, ...) adalah difraksi dalam arah yang sama (tumpang tindih perintah). Masalahnya bisa dihilangkan dengan menggunakan filter atau premonochromator dengan Resolusi sangat tinggi, tetapi juga banyak urutan yang tumpang tindih, diperoleh dengan kisi echelle (Gbr. 6.24). Kisi-kisi tersebut beroperasi pada suatu sudut tinggi yang berguna. kisi-kisi Echelle memiliki beberapa baris relatif/mm tetapi beroperasi pada urutan difraksi yang sangat tinggi. Penyelesaian daya pendekatan 106dapat dicapai dengan instrumen kisi. Karakteristik kisi dibahas dalam [6.77].Spektrometer kisi secara umum, dilengkapi dengan cermin sebagai pengganti lensa. Beberapa pengaturan biasa ditunjukkan pada Gambar. 6.25. Instrumen untuk daerah tampak sering memanfaatkan pengaturan Ebert atau Czerny-Turner. Sebuah kisi pada gunung Littrow sering digunakan untuk tuning warna pulsa laser (Bag. 8.5.1). Dengan menggunakan kisi cekung kebutuhan collimating dan fokus cermin dihilangkan, yang sangat berharga di daerah VUV (ultraviolet vakum) dan XUV (UV ekstrim), di mana cermin konvensional tidak efektif.Pengaturan udara menggunakan lingkaran Rowland sering digunakan. Celah masuk, kisi-kisi dan gambar spektral semua pada lingkaran yang memiliki diameter sama dengan jari-jari kelengkungan kisi cekung. Untuk panjang gelombang yang sangat pendek yang diperoleh spektrum dari atom yang sangat terionisasi atau spektrum sinar-X, sudut datang digunakan untuk meminimalkan kerugian penyerapan dalam kisi-kisi.Sinar yang meninggalkan monokromator selalu mengandung sejumlah kecil radiasi pada panjang gelombang lain dari yang dipilih. Cahaya liar ini disebabkan refleksi dan hamburan dari berbagai belahan monokromator. Jumlah cahaya liar dapat banyak dikurangi menggunakan sebuah monochromator ganda yang terdiri dari dua monokromator tunggal yang terhubung hanya melalui perantara umum (keluar / masuk) celah.

6.2.3 The Fabry-Perot InterferometerThe Fabry-Perot interferometer diperkenalkan oleh C Fabry dan A. Perot pada tahun 1896. interferometer ini terdiri dari dua cermin datar yang terhubung paralel dengan reflektifitas tinggi dan penyerapan yang rendah. Cahaya akan masuk pada interferometer akan menjalani refleksi ganda diantara cermin dimana bagian dari cahaya ditransmisikan (Gbr. 6.26). Komponen yang berbeda dari cahaya akan ditransmisikan dengan pengganggu tak terhingga, tetapi pola interferensi dapat dicitrakan pada layar menggunakan lensa. Menurut prinsip Fermat fase relatif dari sinar yang berbeda tidak akan diubah oleh perjalanan mereka melalui lensa. Untuk analisis kami memperkenalkan simbol berikut yang berkaitan dengan intensitas cahaya:The fourier transform spectometer (FTS) merupakan interferometer dengan 2 tembakan, yang merupakan tipe michelson. R : refleksivitas lapisan cermin, T : transmisi lapisan cermin, A : serapan lapisan cerminDengan hubungan,(6.16)Dengan amplitudo yang bersesuaian nilainya dengan r, t, dan a seperti berikut;(6.17)Selanjutnya akan dikenalkan ; l : jarak antar layer, n : indeks bias antar layer, : sudut datang cahaya, f : fokus lensa, : panjang gelombang yang berasal dari cahay monokromatik, : pergeseran fase antara dua sinar yang muncul, dan s,S : amplitudo.

Pertama kita akan menghitung bagian perbedan optik (perlambatan) antara dua cahaya berturut menggunakan gambar 6.27, yaitu (6.18)Dibutuhkan interferensi konstruktif (6.19)Dimana m adalah nilai integer ( m104). Semua sinar yang datang pada permukaan yang mengumpul itu dalah sama. Selanjutnya kita memperoleh sistem cincin pada layar. Jari-jari cincin di simbolkan dengan . Untuk sudut yang kecil kita asumsikan cos = 1- 2/2 dan = /f, lalu keduanya persamaan (6.18) dan (6.19) di hasilkan dan(6.20)Dengan demikian, untuk kasus ketika interferensi konstruktif terjadi pada sumbu simetri (akar kuadrat adalah nol untuk m = m0), cincin dengan m = m0-1, m0-2, akan memiliki jari-jari sebanding dengan , , , dllSekarang kita akan mempelajari distribusi intensitas lebih terinci. Menggunakan gambar 6.26 kita menemukan bahwa total amphtudo yang ditransmisikan S untuk kasus a = 0,misalkant2 = 1 r2, akan memberikan deret geometri(6.21)Dimana pergeseran fase adalah(6.22)Menggunakan amplitudo S kita temukan intensitas yang bersesuaian yakni ITetapi dengan s2 =I0 kita perolehAkhirnya, jika serapan pada lapisan kita peroleh(6.23)Ini disebut distribusi Airy, dan diilustrasikan pada gambar 6.28. dengan maksimum intensitas(624)diperoleh saat intensitas minimum(6.25)diperoleh Pemisahan ini disebut dengan daerah spktral bebas, pada satuan frekuensi diperoleh(6.26)Lebar setegah puncak transimisi (6.27)Rasio antara 2 nialai ini disebut dengan finesse N dan diperoleh hanya dari refleksivitas R lapisan(6.28)

Resolusi dari fabry perot interferometer adalah(6.29)Variabel pada fungsi Airy adalah(6.30)Dengan demikian, dengan diberikan panjang gelombang kita dapat menjalankan melalui kurva transmisi pada Gambar. 6.28 dengan memvariasikan , n atau lDalam rekaman fotografi sistem cincin dicatat sebagai fungsi Untuk rekaman fotolistrik = 0 dipilih dengan menempatkan lubang kecil pada sumbu simetri, dan intensitas pada pusat dicatat dengan tabung photomultiplier. Sekarang baik l atau n berubah. The Fabry-Perot interferometer biasanya terdiri dari dua substrat kuarsa datar dengan coating reflektif dan substrat yang tepat dipisahkan oleh spacer Invar, n kemudian dapat bervariasi dengan mengubah tekanan gas di perumahan Fabry-Perot (tekanan scanning). Atau, jarak dapat bervariasi dengan menggunakan kristal piezoelektrik di puncak dari salah satu alas.Sebagai contoh, kami akan mempertimbangkan interferometer Fabry-Perot yang memiliki pemisahan cermin 1 cm (udara). Lapisan memiliki reflektifitas dari 98%. Kita kemudian memiliki vfsr = C /2l = 15 GHz, N 150 dan v = 100 MHz. Jika interferometer yang digunakan pada 500nm 6 x 10 14 Hz kemudian R = 6 x 10 5. Jelas, untuk interferometer seperti lebar garis spektral dari sumber flght merupakan faktor pembatas.Karena ketidaksempurnaan kecil dan ukuran terbatas dari lingkaran aperture secara praktis dapat dicapai dengan sering berkurang resolusi. Karena resolusi tinggi interferometer Fabry-Perot telah banyak digunakan untuk mengukur struktur hyperfine dan pergeseran isotop. Garis spektrum menarik dipilih oleh monokromator atau filter gangguan. Pertama, berbagai spektrum bebas dari lebar yang cukup untuk mengakomodasikan semua komponen spektral garis dipilih untuk memungkinkan urutan yang benar dari komponen yang akan ditentukan. Kemudian lempeng bergerak terpisah lebih jauh, sehingga resolusi meningkat tetapi juga terjadi tumpang tindih.Semua komponen hyperfme memiliki fungsi Airy sendiri, yang dialihkan dengan menghormati satu sama lain. Pola Fabry-Perot berulang dengan periode rentang spektral bebas, yang digunakan untuk kalibrasi frekuensi. Contoh dari rekaman Fabry-Perot diilustrasikan pada Gambar. 6.29. The Fabry Perot interferometer dibahas dalam [6.79].Interferometer dengan cermin bulat juga dapat digunakan. Sebuah pengaturan yang sering digunakan digunakan dalam interferometer confocal, di mana pemisahan cermin l sama dengan r jari-jari cermin (Gbr. 6.30). Penamaan interferometer ini merupakan fakta bahwa fokus panjang / cermin dari radius r, f=r/2 Dalam interferometer confocal dimana cahaya saling bersaing dalam melewati antar cermin secara ganda sebelum sinar primer dan tembakan menyatu di cermin kedua dan dapat terganggu.

Karena ini sesuai dengan interferometer planar dengan, dua kali pemisahan cermin dengan kisaran spektral bebas untuk interferometer confocal diberikan oleh(6.31)Interferometer ini kasus khusus dari interferometer multi-pass, di mana N ganda lewat di antara cermin terjadi sebelum gangguan. Untuk interferometer seperti yang kita miliki(6.32)Hal ini dapat menunjukkan bahwa jari-jari cermin dan pemisahan cermin harus memenuhi relasi

(6.33)

Untuk N = 2 kita memiliki kasus khusus dari interferometer confocal. Sebagai contoh, kita bisa memilih interferometer multi-pass dengan pemisahan cermin 0,75 m beroperasi dengan N = 4 (Gambar. 6.31). Kami menemukan r = 0,75 / (1 - l / ) = 2.56 m. Kisaran spektral bebas untuk perangkat ini adalah vfsr = C /4 2 0,75 = 50 MHz.Multi-pass interferometer sering digunakan untuk memonitori sinar laser dari frekuensi yang sangat tajam. Kisaran spektral bebas kecil dapat diperoleh tanpa menggunakan interferometer yang sangat panjang. Menggunakan teknik multilayer pada khusus baru-baru ini telah menjadi mungkin untuk menghasilkan lapisan yang dengan urutan 10 3 ("supercaviti"). Jelas, instrumen tersebut memiliki aplikasi penting untuk laser ultra-stabil dan metrologi presisi.6.2.4 The Fourier Transform SpectrometerTransformasi Fourier spektrometer (FTS) adalah interferometer dual-beam, yang paling sering digunakan dari jenis Michelson, seperti ditunjukkan pada Gambar. 6.32. Jika lengan interferometer memiliki panjang yang sama, perbedaan bagian antara dua tembakan pengganggu akan 0. Jika cermin dipindahkan Perbedaan / 2 jalur optik dari diperkenalkan. Untuk kasus radiasi monokromatik dan inetnsitas tembakan dengan intensitas pada detektor yang sama akan(6.34)Dengan(6.35)Jika sumber cahaya menyebarkan spektrum B(v) kita akan menemukan,

(6.36)Bagian persamaan diatas menunjukkan bahwa dapat disebut interferogram

(6.37)Spektrum B(v) dapat dihitung dari interferogram J( ) sebagai transformasi cosinus fourier.(6.38)Seperti perhitungan yang dilakukan pada komputer [6.81] dan secara khusus, prosesor yang sangat cepat telah dibangun. Dalam prakteknya, cermin yang bergerak hanya berpindah dengan jarak terbatas (