Was ist ein Spektrumanalysator?
Ein optischer Spektralanalysator ist ein Spektrometer zur Messung des optischen Spektrums.
Das optische Spektrum bezieht sich auf die Intensitätsverteilung pro Wellenlänge, wobei die Wellenlänge auf der horizontalen Achse und die Lichtintensität auf der vertikalen Achse aufgetragen wird. Ein ähnliches Gerät ist das optische Wellenlängenmessgerät, aber der optische Spektralanalysator verfügt über eine Funktion zur Korrektur der Messwerte und einen Spiegel zur Abtastung der Wellenlängen.
Das optische System ist in der Regel komplexer als das eines optischen Wellenlängenmessers, aber es ist multifunktional und sehr vielseitig. Daher ist der Preis der Geräte relativ hoch.
Spektrumanalysatoren werden bei der Entwicklung optischer Halbleiter wie optischer Netzkommunikation und Fotokopplern eingesetzt. Weitere Anwendungen sind die lichtbasierte Analyse, die Messung des Feuchtigkeitsgehalts, die Messung der Schichtdicke und alle Bereiche, die mit Licht zu tun haben, einschließlich Biotechnologie und Chemie, wie z. B. Pharmazie und Biologie.
Anwendungen von optischen Spektrumanalysatoren
Optische Spektrumanalysatoren werden hauptsächlich zur Bewertung der Leistung optischer Systeme eingesetzt. Insbesondere Laser- und LED-Lichtquellen haben ein sehr breites Anwendungsspektrum in der Industrie, der Medizin, der Telekommunikation und der akademischen Forschung, so dass es sehr wichtig ist, ihre Wellenlängeneigenschaften zu untersuchen.
Nachfolgend werden einige Anwendungsbeispiele für optische Spektrumanalysatoren aufgeführt:
- Bewertung der Wellenlängeneigenschaften von monochromatischen Lichtquellen wie Lasern und LEDs sowie von Weißlichtquellen wie Quecksilber- und Xenonlampen
- Bewertung des wellenlängenabhängigen Reflexions- und Transmissionsgrades von optischen Komponenten
- Qualitätskontrollen in der faseroptischen Kommunikation, z. B. in der optischen Wellenlängenmultiplex-Kommunikation
Funktionsweise von optischen Spektrumanalysatoren
Die Funktionsweise optischer Spektrumanalysatoren lässt sich je nach Spektralverfahren grob in die folgenden beiden Typen einteilen: dispersiv und interferometrisch:
1. Dispersive optische Spektrumanalysatoren
Die dispersive Spektroskopie ist eine Methode zur räumlichen Auflösung von Wellenlängenkomponenten mit Hilfe eines Spektralelements und zur Messung der Intensität bei jeder Wellenlänge.
Als spektrale Elemente werden Prismen und Beugungsgitter verwendet. Andere Spektrometer bestehen aus einem Spiegel und einer Linse, einem so genannten Kollimator sowie einer Kamera oder Linse zur Fokussierung.
Bei Prismen basiert die Spektroskopie auf dem Unterschied im Brechungsindex in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Das auf das Prisma auftreffende Licht wird je nach Wellenlänge mit unterschiedlichen Brechungswinkeln emittiert. Dadurch kann die Wellenlängenkomponente des zu messenden Lichts räumlich aufgelöst werden.
Bei Beugungsgittern macht sich die Spektroskopie den Unterschied im Beugungswinkel in Abhängigkeit von der Wellenlänge zunutze. Wenn das Licht in das Beugungsgitter eintritt, wird es unter einem Winkel emittiert, der die Beugungsbedingungen erfüllt und für jede Wellenlänge unterschiedlich ist.
2. Interferenzspektroskopie optischer Spektrumanalysatoren
Bei der interferometrischen Spektroskopie wird das zu messende Licht gestört und das Spektrum aus dem Interferenzmuster gemessen.
Es gibt zwei Verfahren zur Interferenz von Lichtströmen: Bei dem einen wird das zu messende Licht mit einem Strahlteiler gestört, bei dem anderen werden sich gegenüberliegende hochreflektierende Spiegel verwendet. Bei der Zwei-Photonen-Interferometrie werden die optischen Weglängen der beiden Lichtströme variiert, die Änderung der Intensität des interferierenden Lichts (Interferogramm) gemessen und das Spektrum durch inverse Fourier-Transformation berechnet.
Bei der Multi-Fluss-Interferometrie kann nur die resonante Wellenlängenkomponente durch Mehrfachreflexion des zu messenden Lichts extrahiert werden. Da die Wellenlänge des resonierenden Lichts durch Änderung des Spiegelabstands verändert werden kann, kann das Spektrum durch Wiederholung dieses Vorgangs gemessen werden.
Im Vergleich zur dispersiven Spektroskopie, bei der die Intensität des Lichts nach Wellenlängen getrennt gemessen wird, ist die Leistung im dynamischen Bereich geringer, aber es kann eine hohe Wellenlängengenauigkeit erzielt werden.
Weitere Informationen zu optischen Spektrumanalysatoren
Leistung optischer Spektrumanalysatoren
Die Wellenlängenauflösung ist das wichtigste Maß für die Leistung optischer Spektrumanalysatoren. Die Wellenlängenauflösung ist ein Begriff, der sich auf die Grenze der Wellenlängenbreite bezieht, über die das optische Spektrum aufgelöst werden kann.
1. Dispersive Spektroskopie optischer Spektrumanalysatoren
In der dispersiven Spektroskopie hängt die Wellenlängenauflösung von der Art des verwendeten Beugungsgitters, dem Abstand des optischen Weges und der Spaltbreite ab. Aus diesem Grund sind Instrumente mit hoher Wellenlängenauflösung sehr groß.
Eine Verkleinerung der Spaltbreite, durch die das Licht bei der Detektion fällt, erhöht die Auflösung, verringert aber auch die Intensität der Detektion, so dass es wichtig ist, das optische System unter Berücksichtigung der erforderlichen Auflösungsbreite einzustellen. Wenn die Kamera mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, ist es möglich, mit einem geringeren Hintergrund wie z. B. Dunkelstrom zu messen.
2. Interferenzspektroskopie optischer Spektrumanalysatoren
Bei der Interferenzspektroskopie wird die Wellenlängenauflösung durch die Schrittweite bei Änderung der optischen Weglänge bestimmt. Wenn also eine hohe Wellenlängenauflösung erforderlich ist, werden mehr Schritte benötigt, was zu einer längeren Messzeit führt.