Handheld Raman-Spektrometer

Die Größe eines Spektrometers wird hauptsächlich durch die Brennweiten der verwendeten Optiken bestimmt. Die Brennweite (L_F) eines Spektrometers hängt mit der Detektorlänge (L_D), der Gitterfurchendichte (G), dem Wellenlängenbereich (λ₂ – λ₁) und dem Beugungswinkel (β) des Spektrometers durch die folgende Näherungsgleichung zusammen:

Aus dieser Gleichung geht hervor, dass ein kleines Spektrometer mit den folgenden Methoden erhalten werden kann:

Die Breite des Detektors und der Wellenlängenbereich können indirekt durch die Auflösungsanforderung bestimmt werden. Nehmen wir zum Beispiel an, Sie wünschen sich eine Auflösung von 0,5 nm über einen Wellenlängenbereich von mindestens 800 – 1100 nm. Sie benötigen mindestens 2 – 3 Pixel, um Ihre 0,5-nm-Auflösung mit angemessener Genauigkeit abzutasten, was bedeutet, dass Ihr Detektor insgesamt 1200 – 1800 Pixel für den gesamten Bereich haben sollte. Detektoren für die Spektroskopie haben typischerweise eine Pixelbreite im Bereich von 7 bis 25 Mikrometern, so dass die kleinstmögliche Detektorbreite (L_D) in diesem Fall 1200 * 0,007 mm = 8,4 mm betragen würde.

Die numerische Apertur des Spektrometers beeinflusst ebenfalls die Größe. Normalerweise möchte man eine möglichst hohe numerische Apertur, um ein sehr empfindliches Spektrometer zu erhalten. Dies führt jedoch zu einem breiten und hohen Strahl, der durch das Spektrometer geht, was zu einer großen Bauweise des Spektrometers führt. Daher ist die numerische Apertur bei handheld Raman-Spektrometern oft auf 0,07 – 0,16 begrenzt.

Schematische Darstellung eines diffraktiven Spektrometers mit Definitionen relevanter Parameter: L_C = Brennweite des Kollimationsspiegels; L_F = Brennweite des Fokusspiegels; L_D = Länge des Detektors.

Bei der Auswahl eines Spektrometers für ein handheld Gerät müssen Sie auf die Umgebungsstabilität des Spektrometers achten. Temperaturschwankungen, Vibrationen und Stöße können das Spektrometer potenziell aus der Kalibrierung bringen, daher benötigen Sie ein Spektrometer, das gegen solche Einflüsse robust ist.

Ein wichtiger Aspekt ist, dass transmissive Optiken viel weniger von kleinen Winkelabweichungen beeinflusst werden als reflektive Optiken. Wenn man den Unterschied zwischen einem Spiegel und einem Fenster betrachtet, wird dies deutlich. Wenn Sie etwas in einem Spiegel betrachten und jemand den Spiegel um ein paar Grad dreht, sehen Sie, wie sich das Spiegelbild bewegt. Wenn Sie jedoch durch ein Fenster schauen, das gedreht wird, passiert nichts. Dies ist der Hauptgrund, warum Spektrometer, die aus transmissiven Optiken aufgebaut sind, viel robuster sind.

Die einzige elektrische Leistung verbrauchende Komponente in einem Spektrometer ist der Detektor. Insbesondere wenn der Detektor gekühlt ist, kann er mehrere Watt verbrauchen. Daher sollten handheld Raman-Spektrometer um ungekühlte Detektoren herum konstruiert werden.

Das Ziel der Kühlung des Detektors für (Tisch-)Raman-Instrumente ist die Reduzierung des Dunkelladungspegels, der sich über eine lange Integrationszeit aufbaut. Die Verwendung eines nicht gekühlten Detektors bedeutet typischerweise, dass die Integrationszeit auf unter 1 Sekunde begrenzt werden sollte.