Enstrümantal analizlerde, polikromatik ışının sadece sınırlı
dalga boyu aralığını kapsayan bantlarına gereksinim vardır. Böyle bantların
elde edilmesi için "dalga boyu seçici" denilen aletler veya sistemler
kullanılır.
Dalga boyu seçiciler dalga boyunu istenilen dar bir aralıkta
sınırlarlar; cihazın seçiciliğini ve hassasiyetini yükseltirler. Ancak tek bir
dalga boyunda ışın verebilecek ideal dalga boyu seçiciler bulunmaz; ancak,
etkin bant genişliği farklı dalga boyu dağılımları söz konusudur.
Etkin bant genişliği, pik yüksekliğinin yarısına karşı gelen
genişliktir ve bu amaçla kullanılan sistemin kalitesiyle ters orantılıdır;
bandın genişliği azaldıkça sistemin performansı yükselir (Şekil 20).
Dalga boyu seçiciler
iki tiptir: 1. Filtreler:
Basittirler, dayanıklıdırlar ve ucuz malzemelerdir. Bu tip dalga boyu seçiciler
iki grupta incelenebilir: Girişim filtreleri, absorbsiyon filtreleri. 2. Monokromatörler: Çıkış dalga boyu sürekli
olarak değişebilen dalga boyu seçicilerdir. Prizma monokromatörler, garting
monkromatörler.
Şekil-19: Dalga boyu-geçirgenlik eğrisinin tanımlanması
Şekil-20: İki farklı girişim filtresinin
şematik görünümü: (a) geçirgen tip bir girişim filtresi, (b) çok tabakalı bir
girişim filtresi
Girişim filtreleri: Girişim filtreleri 200-14000 nm dalga boyu aralığında çalışır; ultraviyole,
görünür, ve infrared ışın için uygundur.
Girişim filtreleri, optik girişim yaparak oldukça dar ışın
bantları elde edilmesini sağlar. Bir girişim filtresinde geçirgen (şeffaf) bir
dielektrik malzeme (kalsyum fluorür veya magnezyum fluorür gibi) bulunur. Bu
malzeme iki cam levhanın iç yüzeylerini saran iki yarı geçirgen metalik film
arasına yerleştirilmiştir. Geçen ışının dalga boyunu dielektrik tabakanın
kalınlığı saptar, bu nedenle kalınlığın çok iyi kontrol edilmesi gerekir. (Şekil-20)
Paralel bir ışın demeti sisteme dik olarak çarptığında,
demetin bir kısmı birinci metalik tabakadan geçerken kalan kısım yansır. Geçen
kısım ikinci metalik yüzeye çarpar ve önceki işleme benzer şekilde ayrılır (bir
kısmı geçer bir kısmı yansır). Bu ikinci etkileşimden yansıyan kısım özel dalga boyunda ise, birinci tabakanın iç
kısmından, gelen ışınla (ayni dalga boyundaki) faz içinde olacak şekilde kısmen
yansıtılır. Sonuçta, özel dalga boyundaki ışın kuvvetlenirken (yapıcı girişim),
diğer dalga boyları faz dışında olduğundan zayıflar (bozucu girişim).
Şekil-21: Yapıcı
girişimin şematik görünümü
Şekil-21’deki yapıcı girişimin şemasında, kolay
anlaşabilmesi için, gelen ışının dikle q
açısı yaptığı kabul edilmiştir; bu halde 1 noktasında ışık dikle q açısı yaparak yarı geçirgen filme çarpar, bir kısmı yansır, bir
kısmı geçer. 1’, 2, 2’, ..., de ayni işlemler tekrarlanır. Özel dalga boyundaki
ışının 2 noktasında kuvvetlenmesi için 1’ den yansıyan demetin kat ettiği
mesafenin, onun dielektrik ortamdaki l’
dalga boyunun katları olması gerekir. Yüzeyle arasındaki yol uzunluğu,
nl’ = 2 t/cos q
Oysa normal halde q
sıfırdır, bu durumda şekille ilgili denklem,
n l' = 2 t
l ışının
"dielektrik" malzemedeki dalga boyu ve t de malzemenin kalınlığıdır.
Buna karşılık olan havadaki (gelen ışının) dalga boyu, l = l'n dir. n dielektrik ortamın
refraktif indeksidir. Buna göre filtreden geçirilen demetin dalga boyları,
Filtrenin cam tabakaları sadece kuvvetlendirilmesi istenilen
bandları geçirecek şekilde seçilir; bu durumda transmisyon sınıflandırılmış
olur.
Şekil-22(a)’da tipik girişim filtrelerinin performans
özellikleri gösterilmiştir. Filtreler, şekilde de görüldüğü gibi, transmitrans
piklerinin dalga boyları, geçirilen ışının %si (pikde) veya "%
geçirgenlikleri" ve pik maksimumunun yarısındaki band genişlikleri (etkin band
genişliği) ile tanımlanırlar.
Ultraviyole, görünür bölge, ve 14 mm'ye kadar olan infrared bölgelerde kullanılan girişim
filtreleri vardır. Bunların yarım-dalga genişlikleri, tipik olarak, pikin
geçirdiği dalga boyunun %1.5 ğu kadardır. Bazı dar-band filtrelerinde bu değer
%0.15 e kadar düşer; bunların maksimum geçirgenlikleri %10 kadardır.
Girişim Kamaları: Bir girişim kaması, birbirinden kama
(üçgen) şeklindeki bir dielektrik malzemeyle ayrılmış, kısmen geçirgen,
aynalanmış bir çift levhadır. Levhaların uzunluğu 50-200 mm aralığındadır.
Kamanın kalınlığı bir uçtan diğer uca kadar değiştiğinden, geçirilen ışın da
sürekli olarak değişir. Kama boyunca uygun doğrusal konum seçilerek 20 nm’lik
band genişliği, diğerlerinden ayrılabilir (Şekil-22b).
Görünür bölge (400-700 nm), yakın-infrared bölge (1000- 2000
nm) ve diğer bazı infrared bölgeler (2.5-14.5mm)
için uygun girişim kamaları bulunur.
Şekil-22: (a) Tipik girişim filtrelerinin geçirgenlik
özellikleri, (b) tipik bir girişim kaması, (c) İki tip filtrenin etkin band genişlikleri,
(d) görünür bölgede kullanılan çeşitli filtrelerin kıyaslaması
Absorbsiyon Filtreleri: Absorbsiyon filtreleri, girişim
filtrelerinden daha ucuzdur. Daha çok görünür bölgedeki band seçiminde
kullanılırlar, 380-750 nm. Bu
filtreler spektranın bazı bölgelerini absorblayarak ışını sınırlarlar. En çok
kullanılan tipleri renklendirilmiş cam veya boya süspansiye edilmiş ve cam
levhalar arasına sıkıştırılmış jelatindir. Birincisinin ısıl kararlılığı daha
yüksektir. Absorbsiyon filtrelerinin etkin band genişlikleri 30-250 nm
aralığındadır. En dar band genişliği veren filtreler bile istenilen ışının bir
kısmını absorblarlar ve kendi band piklerindeki geçirgenlikleri 0.1 veya daha
az olabilir. Tüm görünür bölgede geçirgenliği maksimum olan cam filtreler
vardır.
Kesici filtreler görünür spektrumun bir bölümünde %’100’e
yakın geçirgenlik gösterir, kalan kısımda ise geçirgenlik hızla düşerek sıfır
olur. Bir kesici filtre ikinci bir filtre ile birleştirilerek dar bir spektral
band ayrılabilir (Şekil-22d). (c)’de görüldüğü gibi absorbsiyon filtrelerinin
performans özellikleri, girişim-tipli filtrelerden düşüktür; absorbsiyon
filtrelerin hem band genişlikleri fazladır, hem de geçirgenlikleri daha azdır;
yine de pek çok uygulamada kullanılmaya elverişlidirler.
Ultraviyole, görünür, ve infrared ışın monokromatörleri
mekanik yapı olarak birbirine benzerler; bunlarda, temel olarak, beş kısım
bulunur: 1. Giriş sliti; dikdörtgen şeklinde bir optik görüntü alınmasını
sağlar. 2. Paralelleştirme mercekleri veya ayna; paralel ışın demeti üretir. 3.
Prizma veya grating; ışını dalga boylarına göre dağıtır. 4. Odaklama elementi;
görüntüyü bir odak düzlemine iletir. 5. Çıkış sliti; istenilen spektral
bantları ayırır.
Ayrıca monokromatörlerin çoğunda giriş ve çıkış pencereleri
vardır, bunlar parçaları tozdan ve korozif gazlardan koruyacak şekilde
yerleştirilmişlerdir; yapıldıkları malzemeler uygulanan dalga boyu bölgesine
bağlı olarak farklı olabilir. Şekil-23’de tipik iki monokromatörün optik
dizaynları gösterilmiştir, ışının dağıtılması için birinde bir prizma,
diğerinde bir grating kullanılmıştır. Konunun daha kolay anlaşılması için
sadece l1 ve l2 dalga boyularını içeren bir
ışın kaynağı alınmıştır. Bu ışın, dikdörtgen şeklindeki dar bir açıklıktan
(veya slitten) geçerek monokromatöre girer, paralelleştirilir, ve sonra bir açı
ile dağıtıcı elemana çarpar.
Prizmalı monokromatörde, iki yüzdeki kırılmayla ışın açısal
bir dağılmaya uğrar; gratingde ise açısal dağılma, yansıtıcı yüzeydeki
kırılmayla oluşur. Her iki dizaynda da dağıtılan ışın AB odak düzlemi üzerine
odaklanır; burada giriş slitinin, her bir dalga boyu için birer tane olmak
üzere, iki görüntüsü çıkar.
Bir pirizmalı monokromatörün odak-düzlemi dispersiyonu,
y’nin fonksiyonu olarak dalga boyunda değişmeye neden olur; y, cihazın
odak-düzleminin AB hattı boyunca olan doğrusal mesafesidir. Odak-düzlemi
dispersiyonu dy/dl ile verilir.
Bir monokromatörün çıkış sliti, cihazın ayarından çok farklı
olan dalga boylarındaki az miktarda ışınla kirlenir. Bu istenmeyen ışının
birkaç kaynağı vardır. Bunlar çeşitli optik parçalardan ve monokromatör
bedeninden yansıyan demetler, ve optik parçaların yüzeylerinden veya atmosferdeki
tozlardan saçılan demetlerdir. Bu sahte ışının etkileri, monokromatörün uygun
yerlerine bafıllar (kırıcılar) konularak ve iç yüzeyleri siyah boya ile
kaplanarak en aza indirilir. Ayrıca, monokromatör slitlerinin çevresi, toz ve
duman girmemesi için pencerelerle sıkıca kapatılır. Bütün bu önlemlere rağmen,
hala bir miktar sahte ışın emitlenir; bu durum da bazı koşullar altındaki
absorbsiyon ölçmelerinde ciddi hatalara neden olur.
Modern monokromatörlerin çoğunda iki dispersiyon elementi
bulunur; Bunlar iki prizma, iki grating veya bir prizma ve bir grating olabilir
Şekil-23: (a): Bunzen prizmalı monokromatör,
(b): Czerney-Turner gratingli monokromatör
Böyle
bir sistemle başıboş ışının miktarı çok aza indirilerek daha büyük dispersiyon
ve spektral resolusyon elde edilir. Dispersiyon elemanlarından birinin bir grating
olması durumunda, yüksek-dereceli dalga boylarını ikinci eleman (bir prizma)
uzaklaştırır.
İki önemli monokromatör tipi
vardır: Prizma monokromatörler ve difraksiyon grating monokromatörler. Tarihsel
yönde bakıldığında monokromatörlerin prizmalı cihazlar olduğu görülür, ancak
hemen hemen tüm modern ticari enstrümanlarda yansıtıcılı grating
monokrometreler kullanılmaktadır.
Prizmalar ultraviyole, görünür, ve infrared ışını dağıtmada
kullanılır. Prizma malzemesi, elde edilecek dalga boyu bölgesine göre değişir.
Yapı Malzemeleri: Bir monokromatörün pencereleri,
mercekleri ve prizmalarında kullanılan malzemelerin çalışılan frekans
aralığındaki ışını geçirmesi gerekir; en ideal durum, geçirgenliğin %100
olmasıdır. Bazı zorunlu hallerde, geçirgenliği %20 gibi az olan malzemeler de
kullanılmaktadır.
Pencere ve prizma malzemelerinin refraktif indeksleri,
yansıma kayıplarının en aza indirgenmesi için düşük olmalıdır. Ancak, odaklanma
uzunluğunu düşürmek için de merceklerin yüksek refraktif indeksli malzemelerden
yapılması gerekir. Mercek ve pencerelerde kullanılacak ideal malzemelerin
refraktif indeksleri frekansla çok az değişmelidir, böylece ışınların bir araya
toplanamamasından kaynaklanan hata en düşük seviyeye iner. Prizmalarda ise
bunun tam tersi bir durum istenir, dispersiyonun fazlalığı refraktif indeks
değişiklik hızının frekansa bağlı olmasını gerektirir. Bu özelliklerden başka,
monokromatör parçalarının mekanik aşınmaya, atmosfer ve laboratuvar koşullarına
dayanıklı olması arzu edilir. Tek bir maddenin bu gereksinimleri
karşılayabilmesi tabii ki olanaksızdır. Seçim yapılırken en başta kullanılan
dalga boyu bölgesi gelir.
Her dalga boyu aralığında uygun olabilen bir malzeme yoktur.
Ultraviyole, görünür, ve yakın-infrared bölgeler (3000 nm’ye kadar) için bir
kuvartz prizma uygundur; 350-2000 nm aralığındaki dalga boylarında ayni
büyüklükteki cam prizma ile daha iyi bir ayırma elde edilir. Tüm IR bölgenin
taranabilmesi için birkaç prizmaya gereksinim vardır.
Yakın-infrared bölge (8.0-3 mm)
için, bu bölgedeki dağıtma özellikleri ideal olmamasına rağmen kuvartz
kullanılmıştır. Kuvartz 4 mm (2500 cm-1)den
sonra kuvvetli absorbsiyon yapar. lityum fluorür (1-5 mm, veya 10000-2000 cm-1) için uygundur.
Orta-infrared bölgede kristalin sodyum klorür çok kullanılan
bir prizma malzemesidir; dağıtıcılığı 5-15 mm
(2000-670 cm-1) aralığında çok yüksek, 2.5 mm (4000 cm-1)ye kadar uygun seviyededir. 20 mm’nin (500 cm-1) üstünde kuvvetli
absorblayıcı olduğundan kullanılamaz.
Uzak-infrared bölge (15-40 mm,
veya 670-250 cm-1 ) için, kristalin potasyum bromür ve sezyum bromür
Prizmaların değiştirilebildiği çok sayıda spektrofotometre
modelleri vardır. İnfrared ışına karşı geçirgen olan kuvartz dışındaki
malzemelerin hepsi ne yazık ki kolay tahriş olur ve suda çözünürler. Bunlar
nemden etkilenmemesi için kurutucu içeren veya uygun koşullardaki ortamlarda
saklanır.
Prizma Monokromatör Tipleri: İki tip prizma dizaynı en çok
kullanılan prizmalardır; Cornu
prizma ve Littrow prizmadır. Şeki28’de çok kullanılan bu iki prizma tipi
görülmektedir. Birincisi 600 'ye göre dizayn edilmiştir, bu tip
dizaynlarda çoğunlukla yekpare bir malzeme kullanılır. Kristal (ergitilmemiş)
kuvartzdan yapıldığında 600’lik prizma 300’lik iki
prizmanın birbirine yapıştırılmasıyla hazırlanır (a); parçalardan biri sağ,
diğeri sol çevirmeli kuvartzdan yapılır. Ede edilen optikçe aktif 600’lik
prizmadan çıkan ışının net polarizasyonu sıfırdır; bu tip bir prizmaya "Cornu
prizması" denir.
Şekil-24(b), 300’lik ve arka kısmı aynalı bir
"Littrow prizma"yı gösterir. Görüldüğü gibi, ayni yüzeyler arasında
iki kez kırılma meydana gelir; bu nedenle Littrow prizması, 600’lik
prizmalarla ayni performansı gösterir. Littrow prizmasıyla yapılan monokromatör
dizaynları biraz daha sıkışıktır.
Şekil-24: Bir prizma vasıtasıyla
dispersiyon; (a) kuvartz Cornu tip, (b) Littrow tip
Prizmaların
Açısal Dispersiyonu: Bir prizmanın "açısal
dispersiyonu", Şekil-24^de görülen q’nın, dalga boyunun fonksiyonu olarak
değişme hızı olarak tarif edilir; yani,
Bir prizmalı monokromatörden çıkan ışının spektral saflığı
bu değere bağlıdır. Bir prizmanın açısal dispersiyonu iki kısma ayrılır:
dq/dn, dq’daki
değişikliği, prizma malzemesinin refraktif indeksi n’nin fonksiyonu olarak
verir. dn/dl ise refraktif indeksin
dalga boyuna göre değişimidir (veya, prizmanın yapıldığı malzemenin
dispersiyonudur).
dq/dn büyüklüğü
prizmanın geometrisi ve gelen ışının (i) açısına bağlıdır (a). Astigmatizm
(çift görüntü) sorunundan kaçınmak için bu açının o şekilde ayarlanması gerekir
ki, demetin prizma içindeki yolu, prizmanın tabanına birkaç derece yakınlıkla
paralel olsun. Bu koşullarda dq/dn,
sadece prizmanın a açısına bağlı olur
ve bu değer arttıkça hızla artar. Ancak yansıma kayıpları, a’yı
en fazla 600 olacak şekilde sınırlar. a
= 600 olan bir prizma için aşağıdaki eşitlik yazılır.
dn/dl terimi,
prizmanın yapıldığı malzemenin dispersiyonu ile ilgilidir. Bir malzeme için en
büyük dispersiyon, onun anormal dispersiyon bölgesine yakın bir bölgede olur,
veya absorbsiyon bölgesine çok yakındır.
Prizma üretiminde dispersiyon eğrileri farklı olan çeşitli
maddeleri kullanılabilir. 400 nm’nin altında cam için refraktif indeksteki
hızlı yükselme bu maddenin absorbsiyonunun hızla yükselmesine neden
olacağından, cam prizmaların 350 nm’nin altında kullanılması olanaksızlaşır.
350-200 nm aralığındaki bölgede ise camın refraktif indeksi dalga boyu ile
(dn/dl) önemli derecede değiştiğinden,
prizma malzemesi olarak cam kuvartzdan daha üstündür.
Prizmalı monokromatörlerin ayırma (rezolusyon) gücü (R),
dalga boyları çok az farklı olan peşpeşe iki görüntüyü ayırma yeteneğinin
sınırını belirtir.
dl, prizmanın
ayırabildiği en az dalga boyu farkını, ve iki görüntünün dalga boyları
ortalamasını belirtir. Bir prizmanın ayırma gücü prizma tabanı b’nin uzunluğu
ve yapı malzemesinin dispersiyonu ile doğru orantılıdır. Yani, yüksek
rezolusyon için büyük prizmalara gereksinim vardır.
Gratinglerin dispersiyon (dağıtıcı) elemanı olarak prizmalara
göre bazı avantajları vardır: Dispersiyon, dalga boyuyla hemen hemen değişmez,
sabit kalır, aynı büyüklükteki bir prizma dispersiyon elemanından çok daha iyi
bir dağılım verebilir ve yansıtıcı gratingler uzak ultraviyole ve uzak infrared
bölgelerde de ışın dağıtabilir, oysa prizmalarda absorbsiyon nedeniyle bu
bölgelerde ışın alınamaz.
Gratinglerin prizmalara göre dezavantajı başıboş ışın
miktarının daha fazla olmasıdır; ancak, bu dezavantaj önemli değildir, çünkü
istenilen dalga boyunun dışındaki ışınlar ya filtrelerle ve özel cihaz
dizaynları ile engellenmektedir.
Şekil-25, gratingli ve prizmalı monokromatörün doğrusal ışın
dağılımı bakımından ne kadar farklı olduğunu göstermektedir. Şekilde iki
prizmalı ve bir gratingli monokromatörün odak-düzlemi dispersiyonu
gösterilmiştir. İki prizmalı monokromatörün dispersiyonu doğrusal değildir,
yüksek dalga boylarına gidildikçe dalga boyları arasındaki mesafe oldukça
kısalır. Bunlardaki prizmalar Littrow tip prizmalardır, her birinin yüksekliği
57 mm’dir. Cam prizmada 350-800 nm bölgesindeki dispersiyon en fazladır.
Bir gratingin açısal dispersiyonu, i sabit tutularak,
n l = d (sin i + sin r)
eşitliğinin diferensiyali ile bulunur.
i = gelen ışın ile normal arasındaki açı, r = dispers ışın
ile normal arasındaki açı, n = difraksiyon derecesi (tam sayı), d =
yapılar arasındaki mesafeyi (grating sabiti) gösterir. Herhangi bir gelme
açısında,
Şekil-25: Üç tip
monokromatörün dispersiyonu
Çizikler arasındaki d mesafesi kısaldıkça veya her mm deki
çizik sayısı arttıkça dispersiyon da artar. Kısa dalga boyu aralıklarında cos
r’nin l ile değişimi fazla olmaz,
böylece bir gratingin dispersiyonu hemen hemen doğrusaldır. Bir gratingli
monokromatörün optiklerinin özel olarak dizayn edilmesiyle, çıkış sliti odak düzlemi
boyunca doğrusal ışın dağılımı veren bir cihaz yapılabilir.
Bir gratingin ayırma gücü R çok basit bir ifade ile verilir.
n difraksiyon derecesi, N giriş slitinden geçen ışının
oluşturduğu hatların sayısıdır. Bir prizmada olduğu gibi, gratingin ayırma gücü
de dispersiyon elementinin fiziksel
büyüklüğüne bağlıdır.
Gratinglerin en büyük dezavantajları çok miktarda ışın
saçılmasına neden olması ve gereksiz spektral seviyelerde ışın çıkarmasıdır. Bu
olumsuz etkileri giderebilmek için gratingler, ışını tek bir sırada konsantre
edebilecek şekilde parlatılır. Ayrıca, gratingler filtrelerle (ve daha çok
prizmalar) beraber kullanılarak bu sorunlar en düşük düzeye indirilir.
Difraksiyon grating momokromatörler iki tipir: Geçirici (transmisyon)
gratingler, yansıtıcı (refleksiyon) gratingler.
Ultraviole, görünür, ve infrared ışın, bir demetin bir
geçirici gratingden geçirilmesi veya bir yansıtıcı gratingden yansıtılmasıyla
elde edlir. (Şekil-26):
Şekil-26: (a) Bir geçirici, ve (b) bir
yansıtıcı gratingin şematik görünümleri
a.
Geçirici (Transmisyon) Gratingler: Geçirici bir grating, üzerinde
birbirine paralel ve düzgün çok sayıda girinti-çıkıntılar çizilmiş bir cam veya
başka bir şeffaf malzemedir.
Ultraviyole ve görünür bölgede çalışan bir gratingin
milimetresinde 2000-6000 hat bulunur. Bir infrared gratingdeki hat sayısı ise
oldukca azdır; uzak-infrared bölge için milimetresinde 20-30 hat bulunan bir
grating yeterlidir. Bu hatların birkaç santimetre uzunluğundaki gratingde eşit
olarak dağılması son derece önemlidir. Bu nedenle gratingin işlenmesi hayati
önem taşır ve maliyetini çok yükseltir. Hazırlanan bir gratingden çok sayıda
ikinci kalite grating üretilmesi ise fazla pahalı bir işlem değildir. İlk
üretilen "master" grating kalıp olarak kullanılarak çok sayıda
plastik model hazırlanır, bu tip modeller orijinal gratinge göre ikinci kalite
özellikte olmasına karşın pek çok uygulamada yeterli performansı gösterirler. Geçirici
bir gratinge bir slitten ışık gönderildiğinde, her bir oyuk ışını saçarak
gratingin opak (bulanık) bir görünüm olmasını sağlar. Bu durumda gratingin
çizilmemiş bölümü, birbirine çok yakın bir dizi slit görevi yapar ve her bir
slit yeni bir ışın kaynağı gibi davranır; oluşan demetler (çok sayıda)
arasındaki girişim sonucunda, ışın saparak kırılır. Kırılma açısı, doğal
olarak, dalga boyuna bağlıdır.
b. Yansıtıcı (Refleksiyon) Gratingler: Yansıtıcı gratinglerin kullanım
alanı, ayni amaçlı geçirici gratinglerden daha yaygındır. Yansıtıcı gratinler,
infrared bölgede çok üstün dağıtıcı (dispersiyon) özellikleri olan ve bu
nedenle de prizmaların yerini alan elemanlardır. Gratinglerde, prizma sistemine
göre ışın enerjisi kaybı daha azdır ve dolayısıyla daha iyi bir ayırma
sağlanır, dağıtma hemen hemen doğrusaldır. Suya karşı dayanıklı oluşları da
diğer bir iyi özelliğidir. İnfrared grating cam veya plastik bir malzemeden
yapılarak aluminyumla kaplanır.
c. Echellette Gratingler: Yansıtıcı gratingler, parlak bir
metal yüzeye düzgün oyuklar çizilmesiyle veya master kalıptan hazırlanmış bir
plastik model üzerinde ince bir aluminyum filmi çöktürülerek hazırlanır. Şekil-27
(a ve (b)’de görüldüğü gibi, gelen ışın oyuğun yüzeylerinden birine çarparak
yansır ve sonra yeni bir ışın kaynağı gibi hareket eder. Farklı r açılarında
yansıyan değişik dalga boylarındaki ışında girişim oluşur. Tipik echellette
gratinglerde 1 milimetredeki hat sayısı 300-2000 arasındada olabilir; ancak
yaygın olarak kullanılanları 1200-1400 hat/mm dolayındadır.
Echellette-tip gratingin yüzeyine, geniş yüzleri ışını
yansıtan, dar yüzleri ise etkisiz kalan oyuklar çizilmiştir. Bu geometri ışının
çok yüksek verimle kırılmasını sağlar. Geniş yüzlerin herbiri bir nokta ışın
kaynağı gibi davranır; bu durumda yansıyan 3,4 ışınları arasında girişim
meydana gelir. Birbirini izleyen iki demet arasındaki girişimin yapıcı
(artırıcı) özellikte olması için, bunların yol uzunlukları farkının gelen demetin
l dalga boyunun n (tam sayı) katı kadar
olması gerekir.
(a)'da, paralel monokromatik ışın demetleri 3 ve 4, gratinge
"grating normali" ile i gelme açısıyla çarpar. Yansıma açısı r
olduğundan yapıcı girişim maksimumdur. 4 numaralı demet 3 numaralı demetten
daha uzun bir yol izler, bu fark (C’B’-A’D’) dır. Yapıcı
girişimin oluşması için bu farkın nl’ya
eşit olması gerekir.
n l = (C’B’ - A’D’)
C’A’B’ açısı i açısına eşit olduğundan D’A’B’ açısı da r
açısına eşit olur. Bu durumda basit trigonometrik ilişkiden aşağıdaki
eşitlikler yazılabilir.
C’B’ = d sin i A’D’ = - d sin r
d, yansıtıcı iki yüzey arasındaki açıklıktır. Negatif işaret
yansımanın konveksiyondan oluştuğunu gösterir. r açısı, i açısına göre grating
normalinin diğer tarafında ise işaret negatif, ayni tarafta ise (b) pozitiftir.
Son iki eşitliğin birincide yerine konulmasıyla yapıcı girişimin koşulunu veren
eşitlik elde edilir.
n l = d (sin i - sin r)
(b) için: n l = (CB + BD), CAB = i,
DAB = r, nl = d (sin i + sin r)
Genel eşitlik: n l
= d (sin i ± sin r)
i = gelen ışın ile normal arasındaki açı, r = dispers ışın
ile normal arasındaki açı, n =
difraksiyon derecesi (tam sayı), d = yapılar arasındaki mesafedir (grating sabiti).
Bu eşitlik, verilen bir r kırılma açısı için birkaç l değeri bulunduğunu gösterir.
Buna göre, r açısında 800 nm’de bir birinci-derece hattı (n
= 1) bulunduğunda, ayni açıda 400 nm’de ikinci-derece, ve 267 nm’de
üçüncü-derece hatlar da bulunur. Normal olarak birinci-derece hattı en kuvvetli
olanıdır; gratingler, gelen ışının %90 ı, bu sıraya göre toplanacak şekilde
dizayn edilebilir. Daha yüksek-dereceli hatlar filtrelerle uzaklaştırılır.
Örneğin, 350 nm’nin altındaki ışını absorblayan cam, görünür bölgenin çoğunu
kapsayan birinci-derece ışından daha yüksek derecelerdeki spektrayı
absorblayarak uzaklaştırır.
Şekil-27: (a) ve
(b) Echelette-tip bir gratingin difraksiyon mekanizmaları (1, 2, 3 ve 4 = i açısıyla gelen monokromatik ışın demetleri;
1’, 2’, 3' ve 4' = r açısıyla yansıyan kırınmış ışın demetleri), (c) bir echelle
gratingin şematik görünümü, (d) bir echelle gratingide birinci element olarak
bir echelle gratingin, ikinci element olarak da bir düşük dispersiyon prizmanın
bulunduğu bir sistemin diyagramı
d.
Echelle Gratingler: Echelle grating, geleneksel
(echelette) gratingden pek çok yönden farklıdır. Echelle grating kabadır, 1
mm’deki oyuk sayısı daha azdır; hat sayısı ~80-300 hat/mm aralığında değişir.
Echelette tiplerden daha yüksek açılarda ve daha yüksek difraksiyon
derecelerinde çalışır; genelikle i = r, koşulunda kullanılır. (en fazla i - r = 400
olabilir.) Echelle gratingde, gelen ışık, kısa yiv yüzeyine çarpar (s)
ve aynı kısa yüzeyden kırınır. Oysa, echelette gratingde ışığn geldiği ve
kırındığı yüzey uzun yiv yüzeyidir (t). (Şekil-27 c)
Echelle gratingin avantajlı tarafı, dispersiyon özelliğinin
çok yüksek, dolayısıyla verimin de yüksek olması ve geniş spektral aralıklarda
düşük polarizasyon göstermesidir. Girinti-çıkıntıları geniş bir gratingden
dağıtılan (dispers) ışık oyukların yüzeyine dik olarak çarptığından, yüksek
rezolusyonlarda üst üste düşen bir spektrumlar serisi verir. Bu durum, echelle
gratinge dik olarak yerleştirilen ikinci bir düşük-dağıtmalı grating veya bir
prizma ile giderilebilir (Şekil-27d). Aşağıda Echellette ve echelle gratinglerin performas özeliklerinin kıyaslanması
verilmiştir.
Echellette
|
Echelle
|
|
Odak uzaklığı, cm
|
50
|
50
|
Hat sayısı, mm-1
|
1200
|
79
|
Difraksiyon açısı r veya b
|
10o 22'
|
63o 26'
|
Derece, n
|
1
|
75
|
Rezolusyon, 300 nm’de
|
62400
|
763000
|
Doğrusal dispersiyon, Ao/mm
|
16A
|
1.5A
|
e.
Holografik Gratingler: Holografik gratingler, özel bir
maddeyle kaplanmış ve parlatılmış bir düzlem veya konkav veya çeşitli cam
yüzeyler üzerinde optik bir teknikle (lazerler) hazırlanan gratinglerdir. (Şekil-28)
Klasik gratingler düzlem veya konkavdır ve içerdikleri
yivler birbirlerine paralel konumdadır. Oysa holografik gratinglerdeki yivler,
sistemin performansını optimize edebilmek için, paralel olabildiği gibi eşit
olmayan bir dağılım da gösterebilirler. Holografik gratingler düzlem, küresel,
halka şeklinde ve diğer başka yüzeyler üzerinde oluşturulabilir. Bir düzlem
sinüzoidal holografik difraksiyon gratingin yiv profili sinüzoidaldir; bu tip
holografik gartingler çok yaygındır. Yiv yüzeyi ve yiv derinliği değiştirilerek
enerji difraksiyonu ve spektral performans ayarlanabilir. Malzemeye, istenilen
dalga boylarını içeren iki lazer ışın demeti gönderilir; demetlerin girişimi
nedeniyle yüzey üzerinde sinüzoidal kesitli düz çizgilerden oluşan bir şekil
meydana gelir. Blazed holografik difraksiyon gratingde ise sinüzoidal profil
yerine testere-diş profili vardır; bu tip profil difraksiyon gratingin verimini
artırır. Bunlar geleneksel gratinglere benzer; ancak üretiminde optik teknikler
kullanıldığından, geleneksel tiplerde karşılaşılan bazı hataları ve
düzensizlikleri göstermez.
Çok çeşitli dalga boyu aralığını kapsayan holografik master
garatinger vardır; tipik yiv yoğunluğu aralığı 1200 hat/mm’den 4321 hat/mm’ye
kadar değişebilir.
f. Holografik
Filtreler: Holografik filtreler iki uyumlu lazer demeti arasında oluşan
girişim paternlerinin kaydedilmesiyle üretilir. Tüm tabakalar eş anlı olarak
kaydedildiğinden çentiğin optik yoğunluğu yüksektir ve spektral bant genişliği
çok dardır. Tabakalanma profili kare dalga değil de sinüzoidal olduğundan
holografik filtrelerde yansıma bantları bulunmaz.
g. Monokromatör Slitleri: Bir monokromatörün sliti onun
kalitesini belirleyen önemli bir kısmıdır. Slit çeneleri, keskin ve çok düzgün
işlenmiş iki metal parçasının birer ucudur. Slit kenarlarının birbirine tam
paralel olmasına ve aynı düzlemde bulunmalarına özellikle dikkat edilmelidir
(Şekil-29a).
Bazı monokromatörlerde iki slitin açıklıkları sabittir; çoğu
zaman açıklıklar bir mikrometre mekanizması ile ayarlanabilir özelliktedir.
Giriş sliti bir ışın kaynağı görevi yapar; görüntüsü çıkış slitinin bulunduğu
yüzey üzerinde odaklanmıştır. Işının birkaç farklı dalga boyu içermesi
durumunda bu yüzey üzerinde her biri bir dalga boyuna ait olan, parlak hatlar
şeklinde bir seri dikdörtgen görüntüler oluşur. Dağıtıcı eleman döndürülerek
çıkış sliti üzerine özel bir hattın düşürülmesi mümkündür. Eğer giriş ve çıkış
slitleri ayni büyüklükte ise (çoğunlukla da böyledir), giriş slitinin
görüntüsü, teorik olarak, çıkış slitinin açıklığını tamamıyla doldurur (böyle
bir durumda monokromatör ışının dalga boyuna ayarlanmıştır). Monokromatör
girişinin bir yönde veya diğer yönde hareket ettirilmesiyle emitlenen ışının
şiddetinde sürekli bir azalma meydana gelir, ve giriş-sliti görüntüsü, slit
açıklığının tümüyle kaymasıyla, sıfıra düşer.
Şekil-29(b)’de, l2
dalga boyundaki monokromatik ışının çıkış slitine çarpması gösterilmiştir.
Burada, monokromatör l2 ye
göre ayarlanmıştır ve iki slitin genişliği bir birine eşittir. Giriş slitinin
görüntüsü çıkış slitini tam olarak doldurmuştur. Monokromatörün l1 veya l3 ayarına kaydırılması durumunda görüntü de slit
dışına kayar. Şeklin alt kısmındaki grafik, emitlenen ışın gücünün monokromatör
ayarına göre değişmesini göstermektedir.
"Band
genişliği" giriş sliti görüntüsünün çıkış slitinin bir tarafından diğer
tarafına geçmesi için uygulanan monokromatör ayar değerlerini göstermektedir,
birimi dalga boyu birimidir. Polikromatik ışın kullanıldığında band genişliği
ifadesi aynı zamanda, uygulanan bir monokromatör ayarına karşılık çıkış
slitinden emitlenen dalga boylarını da tanımlar.
Şekil-28:
(a): Bir düzlem holografik grating kaydı, (b)
holografik filtrenin şematik diyagramı
Şekil-29: (a) Slitlerin yapısı, (b) l2 monokromatik ışın ile değişik
monokromatör ayarlarında bir çıkış slitinin ışıklandırılması; çıkış ve giriş
slitleri birbirinin aynısıdır
Bir monokromatörün "etkin band genişliği" de, bir
dalga boyu ayarında, cihazın geçirdiği dalga boyu aralığının yarısı olarak,
veya, elde edilen pik gücünün yarısındaki dalga boyu aralığı olarak tarif
edilir. Bir cihazın, etkin band genişliği ve bunun ayrılmış spektral
piklerindeki etkinliği arasındaki ilişki gösterilmiştir. Burada, bir
monokromatörün çıkış sliti,l1,
l2, l3 dalga boylarının bulunduğu birleşik bir demette
aydınlatılmıştır; üç ayrı demet de eşit şiddettedir.
Şekil-30’da üstteki şemada cihazın etkin band genişliği, tam
l1 ve l2 veya l2
ve l3 arasındaki dalga boyu
farkına eşittir. Monokromatör l2
ye ayarlandığında bu dalga boyundaki ışın çıkış slitini tam doldurur.
Monokromatörün iki yönden birine doğru hareket ettirilmesiyle l2’nin geçen kısmının şiddeti
azalırken, diğer hatlardan birinin şiddeti (aynı miktarda) artar. Sağ taraftaki
grafikte koyu çizgiyle gösterildiği gibi üç dalga boyunun birbirinden ayrılması
mümkün olmaz.
Şekil-30: Slit genişliğinin spektraya
etkisi; giriş sliti sadece l1, l2 ve l3 dalga boylarının bulunduğu bir
demetle aydınlatılmıştır. Sağdaki eğriler emitlenen gücün monokromatör ayarının
değiştirilmesiyle nasıl değiştiğini göstermektedir
Orta kısmındaki şemada, çıkış ve giriş slitlerinin
açıklıkları, orijinal değerlerinin ¾'ü olacak şekilde inceltilerek cihazın
etkin band genişliği daraltılmıştır. Sağ taraftaki eğride, üç dalga boyuna
karşılık ancak kısmen ayrılmış üç hat elde edilmiştir. Etkin band genişliği üç
demetin dalga boylarının yarı değerine indirildiğinde ise, şeklin alt kısmında
görüldüğü gibi, tam bir ayırma elde edilir.
Bir monokromatörün etkin band genişliği prizma veya
gratingin dispersiyonuna, ve giriş ve çıkış slitlerinin genişliğine bağlıdır.
pek çok monokromatörde ayarlanabilir slitler kullanılır, böylece etkin band
genişliğini değiştirmek mümkün olur. Dar absorbsiyon veya emisyon bandlarının
ayrılması gerektiğinde en küçük slit genişliklerinde çalışılması önerilir.
Ancak, slit genişliğinin azaltılmasıyla alınan ışın gücünde önemli zayıflama
olur ve zayıf gücün doğru olarak ölçülmesi de çok zorlaşır. Bu nedenle spektral
detayların önemli olduğu kalitatif çalışmalarda dar slitler daha uygun olduğu
halde, kantitatif uygulamalarda geniş slitler kullanılmalıdır.
Bir prizmanın dispersiyonu doğrusal değildir. Verilen bir
etkin band genişliğinde ışın elde etmek için uzun dalga boylarında, kısa dalga
boylarına göre, daha dar slitler kullanılması gerekir. Bir gratingli
monokromatörün avantajlarından biri, sabit bir slit genişliğinde, dalga boyuna
bağlı olmaksızın, sabit band genişliğinde ışın elde edilebilmesidir.
Bir monokromatörün çıkış sliti, cihazın ayarından çok farklı
olan dalga boylarındaki az miktarda ışınla kirlenir. Bu istenmeyen ışının
birkaç kaynağı vardır. Bunlar çeşitli optik parçalardan ve monokromatör
bedeninden yansıyan demetler, ve optik parçaların yüzeylerinden veya atmosferdeki
tozlardan saçılan demetlerdir. Bu sahte ışının etkileri, monokromatörün uygun
yerlerine bafıllar (kırıcılar) konularak ve iç yüzeyleri siyah boya ile
kaplanarak en aza indirilir. Ayrıca, monokromatör slitlerinin çevresi, toz ve
duman girmemesi için pencerelerle sıkıca kapatılır.
Bütün bu önlemlere rağmen, hala bir miktar sahte ışın
emitlenir; bu durum da bazı koşullar altındaki absorbsiyon ölçmelerinde ciddi
hatalara neden olur.
Modern monokromatörlerin çoğunda iki dispersiyon elementi
bulunur; Bunlar iki prizma, iki grating veya bir prizma ve bir grating
olabilir. Böyle bir sistemle başıboş ışının miktarı çok aza indirilerek daha
büyük dispersiyon ve spektral resolusyon elde edilir. Dispersiyon
elemanlarından birinin bir grating olması durumunda, yüksek-dereceli dalga
boylarını ikinci eleman (bir prizma) uzaklaştırır.
