Недорогой спектрометр своими руками
Эта статья предназначена в первую очередь для школьников старших классов и студентов. Человек, сделавший этот спектрометр, тоже является студентом. В связи с ограничениями многие учебные заведения перешли на он-лайн обучение. Но лабораторные работы и практические эксперименты так же важны, как и теория, когда речь идет о таких предметах, как физика. Лабораторные занятия и эксперименты дают ощутимые результаты, которые часто помогают понять принцип явления гораздо эффективнее, чем лекция. Однако из-за глобальной пандемии у него не было лабораторных занятий уже больше года.
Большинство экспериментов, особенно на последнем году обучения физике, требуют сложных и очень дорогих инструментов и оборудования. Мастер решил некоторое оборудование сделать самостоятельно и так, чтобы оно было доступно любому студенту. Начать он решил с изготовления спектроскопа.
Мастер решил сделать цифровую версию спектрометра с использованием веб-камеры и создать программу для анализа результатов.
Шаг первый: теория
Спектрометр — это оптический инструмент, используемый для измерения свойств света. Этот инструмент можно использовать для огромного количества экспериментов, таких как определение состава материала, используемого в повседневной жизни, или определение элементов, обнаруженных на далеких звездах и планетах.
Основная концепция спектрометра состоит в том, что «неизвестный» луч света попадает на оптический элемент, который разделяет луч света на основе длин волн. Каждая длина волны отклоняется на разную величину. Измеряя отклонение, можно определить длины волн, присутствующие в луче света, что потенциально может предоставить больше информации об источнике луча света, даже если он отстоит на миллионы километров отсюда.
Шаг пятый: изготовление дифракционной решетки
Этот шаг — самая важная часть проекта. Дифракционная решетка отвечает за разделение луча света в зависимости от длины волны. Один из вариантов — купить дифракционную решетку . Другой вариант — использовать старый DVD-диск для дифракционной решетки. Оба дают аналогичные результаты.
Сначала нужно разделить диск. Диск состоит из двух слоев, которые при разрезании начнут разделяться. Нужно полностью разделить два слоя и выбросить половину, состоящую из серебряного покрытия.
Шаг шестой: установка камеры
После приклеивания дифракционной решетке к веб-камере, нужно пропустить пропустите кабель от камеры через отверстие в задней части корпуса. Веб-камеру нужно поместить в задней части корпуса под углом 30 градусов по отношению к передней поверхности и совместить с прорезью по центру. Прежде чем прикрепить веб-камеру на место, нужно подключить ее к компьютеру и открыть приложение камеры. Дальше нужно направить спектрометр на источник света и отрегулировать положение веб-камеры так, чтобы дифракционный спектр располагался по центру.
Теперь можно приклеить камеру двусторонним скотчем.
Простое изображение спектра не даст много информации, поэтому мастер разработал программу на Python для построения графика интенсивности света. Программа обеспечит относительное расстояние между «пиками», которое в дальнейшем можно использовать для определения длин волн.
Для запуска программы необходимо установить Python на компьютер вместе с несколькими дополнительными библиотеками с открытым исходным кодом. Python можно загрузить по следующей ссылке https://www.python.org/ .
Дополнительные библиотеки можно загрузить и установить с помощью через терминал. Библиотеки вместе с командами терминала представлены ниже:
Opencv — pip install opencv-contrib-python
Numpy — pip instal numpy
Matplotlib — pip install matplotlib
После установки всех библиотек можно установить программу анализатора спектра из следующего репозитория GitHub: https://github.com/kousheekc/DIY-Spectrometer-Analyser
Запустив программу, пользователь должен увидеть канал веб-камеры. Нужно навести веб-камеру на источник света и нажать кнопку « r » на клавиатуре, чтобы захватить интересующую область ленты. Дальше нужно перетащить указатель мыши на спектр и нажать ввод. После выбора интересующей области нажать кнопку « s », чтобы сделать снимок. Для выхода из программы нужно использовать кнопку « q ».
После тестирования спектрометра и программного обеспечения можно приступать к экспериментам. Можно направить спектрометр на различные источники света, такие как лампы CFL, неоновые лампы, лампы накаливания или даже интеллектуальные светодиодные лампы, меняющие цвет. Вы также можете выйти на улицу и направить спектрометр на чистую часть неба и изучить результаты.
Чтобы измерить длины волн определенного источника света, можно начать с источника света с известной длиной волны, такого как лазер, и определить соотношение между положением пиков и длиной волны.
Есть и другие интересные эксперименты, которые можно попробовать, например, обнаружение и измерение натрия в поваренной соли, и обнаружение хлорофилла в оливковом масле. С помощью этого недорогого спектрометра можно проводить различные простые и интересные эксперименты прямо у себя дома.
Источник
Дифракционные решетки. Самодельный спектроскоп или как определить спектр источника света?
Для исследования спектральных свойств (регистрации спектра) различных источников света применяются спектральные приборы — спектроскопы, спектрографы и спектрометры. Спектроскоп (англ. spectroscope) предназначен для визуального наблюдения спектров, спектрограф (англ. spectrograph) — для фотографирования спектров, спектрометр (англ. spectrometer) — для определения положения отдельных спектральных линий или регистрации спектра в виде кривой.
Вот как эти термины трактуются в «Словаре иностранных слов» , изданном в Москве в 1954 году:
Как же сделать спектроскоп своими руками?
Дифракционные решетки — естественные и искусственные
Одним из способов наблюдения спектрального состава света является использование дифракционной решетки, представляющей собой поверхность, на которую нанесено большое число регулярно (через шаг решетки $b$) расположенных штрихов/щелей/выступов. На дифракционной решетке наблюдается явление дифракции на щели (дифракция Фраунгофера) — отклонения от законов геометрической оптики.
Впервые дифракционную решетку применил Джеймс Грегори (James Gregory), использовавший в качестве решётки птичье перо. Он пропускал через перо солнечный свет и увидел его разложение на составлящие цвета. Также цвета крыльев многих бабочек обусловлены явлением дифракции.
Искусственную дифракционную решетку площадью 0,5 кв. дюйма впервые создал изобретатель из Филадельфии Дэвид Риттенхаус (David Rittenhouse) в 1875 году — из 50 натянутых волосков (шаг решетки составил 250 мкм), причем он смог наблюдать спектры шестого порядка.
Дэвид Риттенхаус
А вот как описаны проявления дифракции в быту в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:
На аукционе ebay продаются дифракционные голографические решетки с шагом 1, 2 и 1,88 мкм:
DVD как дифракционная решетка
Но дифракционную решетку можно сделать и самому из . DVD-диска!
Диск DVD+R (DVD+RW) состоит из двух слоев: оптического (2) и отражающего (1).
Я разделил их с помощью ножа:
В DVD-R-диске слои имеют четкую границу между ними и достаточно легко отделяются друг от друга, в отличие от CD-R-диска:
В качестве дифракционной решетки (англ. diffraction grating) можно использовать как оптический (на пропускание — прозрачная решетка, англ. transmission grating), так и отражающий (на отражение — отражательная решетка, англ. reflective grating) слои.
Постоянная такой решетки (шаг между штрихами) для DVD-диска составляет 0,74 мкм (для CD-диска — 1,6 мкм).
Я вырезал из оптического слоя диска DVD+R фрагмент, получив импровизированную прозрачную дифракционную решетку:
Наблюдать дифракцию можно, направив на этот фрагмент (3) луч (2) от лазерной указки(1). При этом на экране появляются не одно, а три пятна — максимума (4,5,6):
5 — пятно нулевого порядка;
6 — пятна первого порядка
При падении на решетку луча с длиной волны $\lambda$ под углом $i$ к нормали решетки максимумы получаются под углами $\theta$, определяемыми соотношением:
$k \lambda = b (sin i + sin \theta)$ , где $k$ — порядок спектра, $b$ — постоянная решетки (шаг между штрихами).
Для случая падения луча света под прямым углом формула преобразуется к виду:
$k \lambda = b sin \theta$, что для пятна первого порядка дает выражение $\lambda = b sin \theta$.
Вот как это выглядит в реальности (я использовал «зеленую» лазерную указку с длиной волны 532 нм):
На расстоянии в 43 см от решетки до экрана расстояние от центрального до крайнего пятна составляет 38,5 см, что соответствует углу 42°.
Проверка дает угол, равный 46°. Это практически совпадает с экспериментальным результатом!
Дифракционные пятна от излучения красного лазера удалены от центрального пятна на большее расстояние, что согласуется с вышеприведенной формулой (длина световой волны красного лазера больше, чем зеленого).
Приложив этот фрагмент дифракционной решетки вплотную к камере смартфона, я получил спектрограф:
Вот как выглядит на снимке камеры смартфона спектр излучения лампы дневного света:
Искривление линий спектра обусловлено кривизной бороздок на поверхности оптического слоя DVD-диска.
Вращая импровизированную дифракционную решетку, можно выбрать оптимальный вид и положение спектра.
Наблюдавшиеся мной спектры источников света
Вот так выглядят спектры различных источников, которые я получил с помощью вырезанного фрагмента оптического слоя DVD+R-диска:
спектр солнечного света
спектр, как и следовало ожидать, непрерывен во всей видимой области (от фиолетового до красного цветов):
спектр солнечного света, отраженного от Луны:
спектр пламени спички
непрерывный спектр
спектры ламп накаливания
спектр тоже непрерывен, как и спектр солнечного света:
спектры ламп дневного света (люминесцентных ламп)
лампа дневного света:
при вращении импровизированной дифракционной решетки спектр превращается в полоску, на которой выделяются две линии — в фиолетовой и зеленой области спектра:
это линии излучения ртути — фиолетовая с длиной волны 435,8 нм и зеленая с длиной волны 546,1 нм
спектры КЛЛ (компактных люминесцентных ламп)
спектр дискретен (отчетливо видны несколько повторяющихся контуров спирального корпуса лампы):
при повороте фрагмента оптического слоя и смартфона контура превращаются в полоски:
Колба изнутри покрыта люминофорами, которые под действием ультрафиолетового излучения от разряда в лампе излучают видимый свет (каждый люминофор — в своей полосе спектра, применяются обычно три или четыре люминофора).
Вот как выглядит спектр излучения КЛЛ с цветовой температурой 4000 K в крупном масштабе:
1 — синяя линия
2 — полоса свечения в синей области спектра
3 — голубая линия
4 — зеленая линия
5 — оранжевая линия
6 — красная линия
Сравнительная таблица спектров КЛЛ с различной цветовой температурой:
| Цветовая температура | Спектр |
| 2700 K (warm white) |  |
| 4000 K (cool white) |   |
| 6000 K (day white) |
спектр «белого» светодиода:
спектр светодиодной лампы:
Сравнительная таблица спектров светодиодных ламп с различной цветовой температурой:
| Цветовая температура | Спектр |
| 2700 K (warm white) |  |
| 4000 K (cool white) |  |
| 6000 K (day white) |
спектр расположенных рядом на плате ноутбука индикаторных светодиодов белого и оранжевого цвета:
спектр неоновой лампы
спектры ламп уличных фонарей
Для уличного освещения применяются светильники с лампами:
ДРЛ — дуговая ртутная лампа с люминофорным покрытием («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «Л» — люминофорная) (ртутная лампа высокого давления, РЛВД) (англ. HPL-N, HQL) — излучает белый свет, требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)
ДРВ — дуговая ртутная лампа с вольфрамовой нитью внутри («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «В» — вольфрамовая), чем отличается от ДРЛ (наличие вольфрамовой нити приводит к возникновению бареттерного эффекта, что стабилизирует ток лампы) — излучает тепло-белый свет (цветопередача лучше, чем у ДРЛ)
Выглядят лампы ДРВ и ДРЛ вот так:
А вот вид фонаря с такой лампой:
В лампах ДРЛ и ДРВ разряд излучает зеленый и ультрафиолетовый свет, а люминофор, которым покрыта колба, излучает под действием ультрафиолета красный свет. Сочетание этих цветов дает белый цвет.
ДНаТ — дуговая натриевая трубчатая лампа («Д» — дуговая, «На» -натриевая, «Т» — трубчатая) (натриевая лампа высокого давления (НЛВД)) (англ. HPS) — излучает желтый свет (но в отличие от ДРЛ не имеет пика в красной и ультрафиолетовой областях спектра)
Выглядят лампы ДНаТ так:
Вот такая лампа смонтирована в одном из уличных фонарей:
Сейчас такие лампыы чаще всего используются для уличного освещения.
А вот как выглядит ее спектр:
Спектр этой лампы дискретный, с явным преобладанием красно-желто-зеленой области спектра
Вот так выглядит полученный мной спектр такой лампы в крупном масштабе:
1 — синяя линия
2 — синяя линия
3 — голубая линия около 470 нм
4 — голубая линия около 495 нм
5 — зеленая линия около 570 нм
6 — желтая линия с полосой поглощения около 595 нм
7 — красная линия (около 630 нм)
Полученная картина спектра обладает хорошей линейностью:
А вот спектры еще некоторых таких ламп:
Как видно, здесь наблюдается такая же структура спектра.
ДРИ — металогалогенная (МГЛ) лампа — («Д» — дуговая, «Р» — ртутная, «И» — с излучающими добавками), в ртутные пары добавляется галогенид металла — излучает холодно-белый свет (хорошая цветопередача, но существенный пик в синей области спектра), требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА)
Выглядят лампы ДРИ так:
спектр искрового разряда
Вот как выглядит спектр искрового разряда в разряднике моей катушки Тесла:
Иногда можно увидеть и спектр второго порядка, например, для солнечного света:
Также интерес представляет прохождение света через полупрозрачную среду, например, цветной целлофан.
Конструкция DVD-спектроскопа
Для расщепления спектра света используют либо призму (в старых спектроскопах), либо дифракционную решетку (в новых).
Вот так выглядит конструкция спектроскопа, работающего на пропускание:
1 — корпус
2 — щеки щели
3 — щель
4 — прозрачная дифракционная решетка
5 — смотровое отверстие
А вот так устроен спектроскоп, работающий на отражение (англ. reflection spectroscope):
1 — корпус
2 — щеки щели
3 — щель
4 — отражающая дифракционная решетка
5 — смотровое отверстие
В качестве корпуса рекомендуется использовать почтовую коробку (среднего или малого размера), коробку из-под обуви, упаковка из-под овсянки.
Для щек щели рекомендуется использовать либо визитные карточки, либо половинки лезвия. Чем шире щель, тем более расплывчатым будет спектр, чем уже — тем меньше будет яркость спектра. Рекомендуется ширина 0,2 мм.
Для светоизоляции корпуса рекомендуется использовать алюминиевую фольгу или ленту.
На аукционе ebay продается вот такой Diffraction Grating Spectroscope Kit:
Перья птиц как дифракционные решетки
Перо птицы имеет настолько тонкую структуру, что может выступать в роли дифракционной решетки.
Структура птичьего пера показана в энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона:
s — стержень; a — бородки; st — бородочки
Переплетение бородочек и образует дифракционную решетку.
Я извлек перо из перьевой подушки.
Вот так выглядит структура этого перышка под моим микроскопом из веб-камеры (видны стержень, несущий опахало из бородок (лучей первого порядка) и бородочек (лучей второго порядка)):
Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $\lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:
На расстоянии в 60 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 1 см, что соответствует углу $\theta$ 0,95°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = <\lambda \over
Второе перо мы нашли в саду:
Вот структура пера под моим микроскопом из веб-камеры (1 — светлая область, 2 — темная область):
Направив луч зеленой лазерной указки с длиной волны $\lambda$ 532 нм на это перо, я увидел дифракционную картину:
1 — пятно от луча лазера без дифракции;
2 — дифракционная картина
На расстоянии в 19 см от пера до экрана расстояние от центрального пятна до пятна первого порядка составило 0,7 см, что соответствует углу $\theta$ 2,1°.
Таким образом, период дифракционной решетки пера $b = <\lambda \over
Радуга
Радуга — сложное оптическое явление, в котором проявляются эффекты как дисперcии, так и дифракции.
Часто наблюдаются основная (1) и вторичная (2) радуги:
Явление радуги объясняетcя совместным действием преломления и дифракции на беспорядочно расположенных шарообразных капельках воды.
Интересные ссылки
koppen/spectro/mk4e.html — описание построения работающего на пропускание CD-спектроскопа
http://www.inpharmix.com/jps/CD_spectro.html — описание построения спектрографов из дисков и ПВХ-труб
журнал «Юный техник» №5 за 2011 год — описана конструкция спектроскопа, работающего на отражение
Продолжение следует
Источник