Дифракционный спектроскоп. Сделай сам Применение спектрометра в домашних условиях
Всем привет! Вы смотрите Огненное ТВ! Сегодня мы будем делать спектрометр !
Наверное уже все слышали о том, что для здоровья очень важно, что бы источники света в квартире и на работе имели полный спектр света.
Но как узнать какой спектр у вашей лампочки?
Потребуется спектрометр. Покупные стоят очень дорого, а самодельный можно сделать очень легко и для его изготовления не требуется особой точности.
Даже если у тебя вместо рук две ноги и обе левые, то все равно ты сможешь собрать эту штуку, и она будет работать!
Для начала изготовим корпус из плотной бумаги или картона. Я уже проверил пару вариантов и опытным путем подобрал необходимые размеры. Если вдруг вы решите собрать такую же штуку, то я начертил готовую схему, которую можно скачать на моем сайте, распечатать на обычном листе вырезать и склеить.
Внутренняя поверхность не должна отражать свет, иначе картинка будет засвечена.
Маркер отлично справится с этой задачей. Я закрасил все участки картона на которые может попадать свет.
Теперь потребуется дифракционная решетка. Именно она разбивает луч света на спектр.
Добыть ее можно из любого диска CD, DVD или Blu-ray
Структура оптических дисков устроена таким образом, что они имеют небольшие неровности, которые вызывают дифракцию света.
Штампованные диски имеют неровности в виде небольших черточек, а перезаписываемые чистые болванки изначально имеют ровные бороздки.
В принципе не важно какие диски использовать, но желательно чтоб эти бороздки или неровности были как можно чаще, DVD диски - это оптимальный вариант.
Сейчас проведем простейший эксперимент. Свет от лампочки будет падать на диск и часть отразится в виде небольшой радуги, это и будет спектр источника света.
Что бы захватить весь спектр, нужно придвинуть камеру очень близко.
Вот так выглядит спектр света, исходящего от светодиодной лампы.
А вот так выглядит спектр энергосберегающей лампы, разница огромная.
А вот спектр обычной лампы накаливания, видно, что в ее спектре очень много красной составляющей.
А вот это спектр видимого света ультрафиолетовой лампы, видно что кроме фиолетового в ней присутствует еще и зеленый.
Теперь сравним три разных болванки:
Тут мы видим, что у CD диска самый худший результат, цвета слишком размытые.
Разделение света на спектр можно увидеть, если посветить фонариком в центр диска, или поставить диск за горящей свечей, получается очень красивый эффект.
Возвращаемся к нашему спектрометру!
Вырезаем прямоугольный кусок подходящего размера.
После того, как диск обрезан со всех сторон, его очень легко можно разделить на две части, на зеркальную и прозрачную.
Нам понадобится прозрачная часть. Приклеиваю ее к картону.
Теперь аккуратно склеиваю корпус.
Получилось хорошо, но я как всегда капнул клеем на самую ответственную часть.
В принципе простейший прибор для наблюдения за спектром света готов.
Достаточно просто направить его на любой источник света и посмотреть на пластиковую пластинку.
Если прислонить получившуюся коробочку к камере смартфона, то можно сделать снимки и по ним проанализировать спектр, позже я покажу как это сделать.
Как видите, через такой прибор спектр видно более четко, особенно это заметно, если смотреть на люминесцентную лампу. Все пиковые значения видны более отчетливо.
Делать снимки - это не очень удобно, гораздо удобней анализировать источник света в реальном времени!
Для этого потребуется просто прислонить веб камеру прямо к пластиковой платине.
Можно было также придумать крепление из картона, но я решил изготовить более прочный вариант прибора из макетного пластика. Это вспененный пвх-пластик, один из моих любимейших материалов, его легко резать и легко склеивать суперклеем. Из него можно сделать все что угодно, я часто им пользуюсь и у меня спрашивали, как он называется и где его брать. Просто забейте в поиске «пенопвх» или «макетный пластик» и вы обязательно найдете то что нужно.
В пластиковом спектрометре я сделал выдвижную заслонку, что бы можно было регулировать количество света, попадающего внутрь прибора.
Для камеры я сделал небольшой корпус, предварительно вручную настроив ее фокус на объекты находящиеся примерно в одно метре от ее объектива.
Корпус с камерой креплю к основной части прибора таким образом, чтобы был небольшой зазор в который можно будет задвинуть кусок диска, я смогу менять их при необходимости.
сзади наклеиваю заглушку с прорезью, чтобы можно было вытолкнуть кусок диска из корпуса для замены.
Чтоб прибор уверенно стоял и его можно было четко настроить, я приделал ему ноги и закрепил их на куске фанеры. Теперь спектрометр можно направить на источник света и спокойно производить измерения.
Дальнейшая работа будет проводиться вот на этом сайте, ссылку на него вы тоже найдете в описании.
Нажимаем кнопку «захват спектра».
Двигаем прибором так, чтобы он получше поймал свет, регулируем заслонку, чтоб скорректировать яркость и жмем на центр нашей радуги, так чтоб желтая полоска проходила максимально через весь спектр. Считываться с камеры будут значения именно под этой полоской.
Нажимаем синюю кнопку «начать»
Видим, как появился график в реальном времени, но значения в нанометрах не совсем правильные, нужна калибровка.
На открывшейся странице нажимаем кнопку «калибровать».
Теперь нужно подтянуть синий и зеленый цвета, так, что бы пиковые значения примерно совпали с вашим спектром. Кстати, калибровать нужно только по свету энергосберегающих люминесцентных ламп, у них самый прерывистый спектр и можно увидеть пиковые значения.
После того, как синий и зеленый цвета подвинуты на свои места, снова нажимаем кнопку «захват спектра» и получаем спектр с откалиброванными значениями.
Если подвигать заслонкой, то можно видеть, как меняется яркость.
Я поставил лампу накаливания, и увидел, что ее спектре слишком много синего цвета, а такого не может быть, у ламп накаливание преобладает красный цвет в спектре.
Я вспомнил, что кусок DVD болванки был не прозрачный, а слегка фиолетовый. Этого было достаточно что бы сильно сдвинуть спектр в синюю сторону. Пришлось разрезать другой диск и найти прозрачный пластик, который не будет давать цветовых искажений.
После замены и калибровки все пришло в норму, в спектре лампы накаливания теперь много красного и мало синего.
Спектр светодиодной лампы очень похож на лампу накаливания.
А теперь лазерная указка!
Сложно попасть так, что бы получить стабильное значение, но все равно видно что основной пик приходится примерно на 650 нанометров.
Это соответствует заявленным характеристикам указанным на этикетке. 650 плюс-минус 10 нанометров.
И еще раз давайте глянем на ультрафиолетовую лампу.
Камера фиксирует только видимый спектр света, и может увидеть только синий, фиолетовый и немного зеленого.
С видиофиксацией спектра вроде разобрались, а что делать с фото сделанные на телефон?
Я открываю полученные фото в графическом редакторе, выделяю самую красивую часть спектра и растягиваю ее по высоте. Важно чтобы синяя часть спектра была слева или сверху, это необходимо для анализа.
Далее загружаю на сайт и калибрую как и раньше.
Спектр люминесцентной лампы легко калибруется, а вот со спектрами от других ламп придется постараться.
В принципе, если закрепить телефон и сделать снимки сначала люминесцентной лампы, а потом других источников света, не двигая телефон, чтобы ничего не сбилось, то можно тоже достаточно точно изучить их спектр.
Пользоваться сайтом для анализа спектра – не очень удобно, но я не нашел других вариантов, Если у вас есть идеи, как проанализировать спектр более удобным методом, то обязательно напишите их в комментариях.
У меня на этом все, до новых встреч, пока!
Профессор химии Александр Щилин (Alexander Scheeline) из Университета Иллинойса сделал из мобильного телефона спектрометр, чтобы увлечь школьников аналитической химией.
Профессор собрал основной научный инструмент химика из недорогих материалов и цифровой камеры. Спектрофотометрия является одним из наиболее широко используемых средств для идентификации и определения количества материалов. Если, например, нужно измерить количество протеина в мясе, воды в зерне или железа в крови – нужен спектрометр .
Студент не может оценить работу спектрофотометрии, если пользуется загадочным «ящиком» лабораторного спектрометра. Он не понимает, что происходит внутри и просто меняет образцы и записывает результаты, – объясняет Александр Щилин. – Это не помогает учебному процессу. Если вы хотите научить кого-то творчески использовать инструмент и улучшать его, нужно что-то попроще и понятнее".
Рис. 1. Это все, что нужно для изготовления спектрометра.
Если вы хотите обратить внимание на недостатки инструмента, намного проще, когда эти недостатки очень большие и не компенсируются сложностью устройств и настройкой", – объясняет Александр Щилин.
В спектрометре белый свет проходит сквозь образец материала, который поглощает определенные длины волн света. Затем дифракционная решетка раскладывает свет на цвета, и химики могут анализировать спектр, определяя свойства образца.
Рис. 2. Собранный спектрометр. Светодиод просвечивает кювету прямо напротив решетки, которая закреплена прозрачным скотчем.
В качестве источника света профессор Щилин использовал один светодиод , питаемый 3-вольтовой батарейкой. Дифракционную решетку, кюветы для образцов в США купить несложно и в итоге все оборудование стоит менее 3 долл. Осталось найти подходящую цифровую камеру, и тут ученый вспомнил, что у каждого школьника и студента есть мобильный телефон. После этого осталось только решить проблему обработки данных. Для этого профессор написал программу анализа спектров по фотографиям в формате jpeg и выложил ее в свободный доступ в интернет вместе с исходными кодами.
Впервые Александр Щилин продемонстрировал свое изобретение во время работы по программе обмена в Ханое (Вьетнам). Вьетнамские студенты не имели опыта работы с научными приборами, но с энтузиазмом приступили к экспериментам с сотовым телефоном-спектрометром.
Рис. 3. Мобильный телефон не заменит в серьезных научных исследованиях точный спектрометр, но не у каждого школьника есть 3000 долл. карманных денег для хобби.
В Соединенных Штатах профессор использовал самодельный спектрометр в ходе уроков в средней школе. К концу 45-минутного урока ученики усвоили вещи, которые ускользают от большинства учеников, использующих только учебники. Например, один ученик спросил о влиянии рассеянного света на чувствительность камеры и ее способность считывать спектр.
Старшеклассник, который еще час назад почти ничего не знал о спектрофотомерии, обнаружил основную проблему всех спектрометров, – радуется Александр Щилин. – С тех пор, как я начал преподавать, я пытался объяснить своим студентам концепцию воздействия рассеянного света на спектрометр и влияние этой проблемы на качество работы оборудования. И вдруг я увидел, как школьник сам понял суть этой проблемы и задал мне правильный вопрос!"
Ученый с радостью делится своим изобретением со школьными учителями и преподавателями ВУЗов на различных семинарах и с помощью интернета. Он надеется, что его изобретение усовершенствуют, например, напишут программу обработки изображений для смартфонов, что позволит избавиться от необходимости использовать компьютер. Мобильный телефон-спектрометр может увлечь массу людей аналитической химией, которая многим кажется сложной и непонятной наукой. Однако изобретение Александра Щилина демонстрирует, что врожденную любознательность человека легко пробудить – достаточно предложить простые, понятные и увлекательные творческие эксперименты.
Сейчас своими руками мы соберем два варианта дифракционного спектроскопа. Спектроскоп – прибор, который позволяет исследовать спектр света, за счет разведения его спектральных составляющих вдоль определенной оси. Разделить свет на монохроматические волны можно или за счет явления дисперсии, либо за счет дифракции. В данном случае мы будем использовать дифракцию, так как у нас под рукой есть отличная дифракционная решетка – компакт диск!
Нам понадобятся небольшая картонная коробочка, компакт диск, клей, непрозрачная трубочка для окуляра.
Вырежем ножницами кусочек компакт диска под размер коробочки:
Разметим коробочку так, что бы правильно установить окуляр. Из оптики мы знаем, что угол падения равен углу отражения. Но так мы увидим окошко, через которое будет проходить свет, а не дифракционные максимумы, поэтому правее от линии будущего окошка оставим место.
Затем закрыв коробочку подберем подходящее место для ввода света. Для этого будем аккуратно протыкать дырочку, и наблюдать в окуляр. Если в окуляре мы видим напрямую отраженный свет, то дырочку заклеиваем и протыкаем новую чуть дальше. И так до тех пор пока в окуляре не будет видно много цветных точек, выстроившихся вдоль линии. Затем прорежем оконце:
Установим на оконце световой нож из двух лезвий бритв – что бы в коробочку попадал максимально узкий пучек света – так мы будем видеть максимально четкую картину.
Если всё получилось – то мы увидим в окуляре разведенный спектр. Если спектр не непрерывный (например от ЛДС или газоразрядных ламп) то мы увидим набор линий. Каждая линия – монохроматическая составляющая. На фото самая верхняя линия на самом деле глубоко фиолетового цвета, просто фотоаппарат исказил цвет.
Вариант второй
Сделаем миниатюрный спектроскоп, работающий в проходящем свете. Для этого вырежем компакт диск как и в первом варианте.
Обязательно посмотрите видео на каналах (есть тематические плейлисты):
https://www.youtube.com/channel/UCn5qLf1n8NS-kd7MAatofHw
https://www.youtube.com/channel/UCoE9-mQgO6uRPBQ9lsPZXxA
Пожалуйста, помогите набрать 1000 подписчиков на первом канале и не менее 4000 часов просмотров за последний год на каждом из них , для этого посмотрите полностью не менее одного видео!
Эта красивая картинка является фотографией светового и инфракрасного спектра, излучаемого натриевой лампой высокого давления НЛВД типа ДНаТ (Дуговые Натриевые Трубчатые). Для просмотра и фотографирования различных спектров достаточно иметь цифровой фотоаппарат и специально подготовленный CD-R или DVD-R . Последний, занижает яркость, особенно красного. CD-R снижает яркость синего и даёт меньшее разрешение. Первая фотография сделана через DVD-R.
Две жёлтые линии - это дублет натрия с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм. Второй дублет - инфракрасный 818,3 и 819,4 нм.
График спектра .
Теперь несколько слов о подготовке дисков. Из диска нужно вырезать часть, позволяющую полностью закрыть объектив.
На фото DVD-R фиолетового цвета. Нам нужна прозрачная дифракционная решётка , поэтому на CD-R наклеиваем широкий скотч со стороны надписей. Отрываем его и вместе со скотчем снимается покрытие диска. С DVD-R ещё проще, вырезанный кусок легко расслаивается на две части, одна из которых нам и нужна.
Теперь с помощью двухстороннего скотча нужно приклеить дифракционную решётку к объективу, как на фото ниже. Клеить нужно на сторону, противоположную той, с которой оторван слой, т.к. поверхность под слоем легко загрязнится от объектива, а после очистки качество изображения спектра будет хуже.
Получился простейший спектроскоп, подходящий лучше всего для исследования источников света с некоторого расстояния.
Если мы хотим исследовать не только видимый спектр, но и инфракрасный, а в некоторых случаях ультрафиолетовый, то необходимо удалить из фотоаппарата фильтр, блокирующий ИК лучи. Стоит отметить, что часть спектра ИК и УФ видима глазом при достаточно большой интенсивности излучения (точки лазеров 780 и 808 нм, кристалл светодиода 940 нм в темноте). Если необходимо обеспечить одинаковое зрительное ощущение для длин волн 760 нм и 555 нм, то поток излучения для 760 нм должен быть в 20 000 раз мощнее. А для 365 нм в миллион раз мощнее.
Вернёмся к фильтру, который называется Hot Mirror и находится перед матрицей. Нужно открыть корпус фотоаппарата, открутить шурупы, прикрепляющие матрицу к объективу, вытащить фильтр, собрать фотоаппарат в обратной последовательности. Выглядит Hot Mirror так:
2 левых фильтра из фотоаппаратов. У них розовый блеск, а бирюзовый цвет проявляется под другим углом. Кроме ИК, они ещё могут частично или полностью задерживать ультрафиолетовые лучи. Поэтому их удаление открывает возможности не только инфракрасной съёмки, но и ультрафиолетовой , если позволяет оптика и матрица фотоаппарата. Для УФ фотографии используют UV-pass фильтры , блокирующие видимый свет.
Теперь переходим к самому процессу фотографирования спектров. Помещение должно быть тёмное, дополнительно можно использовать чёрный экран около фотоаппарата, источник света точечный или щелевой, минимально освещающий комнату. Включив фотоаппарат, мы увидим такое изображение на примере лазера 405 нм , светящего через узкую щель между двух лезвий:
Центральная точка - это сам лазер. Две линии - его спектр. Можно использовать любую из них. Для это нужно повернуть фотоаппарат и приблизить. Если продолжать двигать фотоаппарат, то мы увидим несколько других линий второго, третьего и т.д. порядков спектра. В некоторых случаях они будут мешать, например зелёная линия второго порядка будут накладываться на инфракрасную линию 1064 нм. Это происходит в спектре зелёного лазера, если в нём не установлен фильтр, отсекающий ИК излучение. Он правый нижний на фотографии фильтров. Чтобы убрать наложение, я использовал красный светофильтр. Фото этого примера с подписанными длинами волн:
Как видно, зелёная линия второго порядка полностью закрыла линию 1064 нм. А следующее фото с заблокированным зелёным светом, где остаются только две ИК линии 808 нм и 1064 нм. Подписывать не стал, т.к. расположение идентично предыдущему фото.
По изображению, где присутствует источник излучения, одна известная длина волны и несколько неизвестных, их легко можно определить. Для примера открываем фото с подписями в фотошопе. С помощью инструмента "Линейка" измеряем расстояние от лазера до линии 532. Оно равно 1876 пикселей. Измеряем расстояние от лазера до линии, длину волны которой хотим узнать, до 808. Расстояние 2815 п. Считаем 532*2815/1876=798 нм. Неточность происходит из-за искажения оптики объектива. При максимальном оптическом приближении ошибка уменьшается. Также было замечено, что лазер 808 нм излучает более короткую волну, около 802 нм, и у него уменьшается длина волны при уменьшении питающего тока.
И без источника излучения на фото можно определить, зная две другие длины волны. Измеряем длину от линии 532 до 1064, там 1901 п. От 532 до 808 получается 939 п. Считаем (1064-532)/1901*939+532=795 нм.
Но проще всего фотографию с двумя известными линиями сопоставить со шкалой . В этом случае ничего считать не нужно.
Далее спектр лампы накаливания , который очень похож на спектр Солнца, но не содержит Фраунгоферовы линии . Интересно, что инфракрасное излучение до 800 нм фотоаппарат отображает как оранжевое, а более 800 нм выглядит как фиолетовый цвет.
Спектр белого светодиода также непрерывный, но имеет провал перед зелёной областью и пик в синей области 450-460нм, который вызван использованием соответствующего синего светодиода, покрытого жёлтым люминофором. Чем выше цветовая температура светодиода, тем выше синий пик. В нём отсутствует ультрафиолет и инфракрасные лучи, которые присутствовали в спектре лампы накаливания.
А вот спектр лампы с холодным катодом из подсветки монитора. Он линейчатый и точно повторяет спектр люминесцентной лампы . ИК часть спектра взята от КЛЛ для получения лучшего качества изображения.
Теперь переходим к ультрафиолетовой лампе чёрного света , или, как её ещё называют, лампе Вуда . Она излучает мягкий длинноволновый ультрафиолет. Фотография получилась такая:
Спектр инфракрасного излучения у люминесцентных ламп, CCFL, Вуда практически одинаковый. Только у последней отсутствует несколько линий, наиболее близких к видимому диапазону. ИК лучи наиболее интенсивно излучаются из тех частей ламп, где находятся нити накала. Фотография сделана через бумажный спектроскоп, подробнее о котором ниже.
Спектроскоп из бумаги.
Такой спектроскоп хорошо подходит для просмотра спектра глазом. Также его можно использовать с разными камерами, например телефонной. Существуют две разновидности.
1. Работает на просвет через дифракционную решётку. Для него нужно подготавливать диски, как было описано выше. Файл содержит чертёж, который нужно распечатать на принтере, вырезать, сложить и склеить. Картинки по сборке можно посмотреть .
2. Работает на отражение от дифракционной решётки. Можно не расслаивать диски, но тогда рядом с яркими линиями от лазеров будут появляться бледные дублирующие, из-за переотражений внутри диска, которых в спектре не должно быть. Перенести блестящий слой CD на другую поверхность, чтобы он остался таким же гладким очень сложно. Поэтому нужно использовать CD, обладающий одинаковой радужной поверхностью с двух сторон. Со стороны, где на обычных дисках надписи, с помощью скотча нужно оторвать прозрачный слой. Важно, чтобы блестящий слой остался на диске. У меня получилось так сделать с половиной диска (от края к центру), этого хватило для спектроскопа. Если не оторвать прозрачный слой, то равномерный спектр будет казаться прерывистым с чередующимися тёмными полосами.
Файл для печати . Помощь по сборке .
На спектроскоп приклеено дополнительное кольцо , с помощью которого он держится на объективе фотоаппарата. Между источником света и спектроскопом рекомендуется ставить матовую плёнку или призму с двумя матовыми гранями, как на фото, для лучшего распределения света. Внутренняя часть спектроскопа из чёрной бумаги без блеска, второй слой из фольги, а сверху обычная бумага, на которой распечатан чертёж. Сторону, в которую поступает свет, можно покрасить в чёрный цвет, чтобы УФ и фиолетовое излучение не вызывали белое свечение бумаги, искажающее картинку.
С помощью этого спектроскопа удалось чётко и ярко сфотографировать спектр неоновой индикаторной лампы . Их используют для подсветки выключателей, в индикаторах работы чайников, плит и других приборах.
Одну тонкую линию спектра дают не только лазеры. Если проволоку опустить в раствор соли NaCl , а потом внести в огонь газовой турбо горелки или зажигалки, то появится жёлтое свечение с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм .
В некоторых турбо зажигалках есть пластина, содержащая литий . Он окрашивает пламя в красный цвет с линией 670,78 нм .
Ниже фотография этих спектральных линий вместе с линиями лазеров: зелёного 532 нм, красного 663 нм, инфракрасных 780 нм и 808 нм.
Удобно использовать описанный выше жёлтый свет для определения периода дифракционной решётки при отсутствии лазера, и вычисления длины волны источников света . Простейшее устройство на рисунке ниже состоит из двух линеек, на одной из которых закреплена дифракционная решётка, а над второй возвышается узкая щель из двух лезвий. Используются расстояния в миллиметрах от дифракционной решётки до экрана (линейки) с щелью и от щели (максимума нолевого порядка) до максимума первого порядка. На первом рисунке нужно смотреть через дифракционную решётку на источник света с известной длиной волны. Таким образом можно посчитать период дифракционной решётки формулой под этим изображением, а потом, этим же способом можно определять длину волны, но по формуле из под второго рисунка. На нём показано определение длины волны лазера немного другим способом: лазер светит через дифракционную решётку на линейку. В этом случае щель не нужна. Я использовал дифракционную решётку из насадки "Звёздное небо", которая шла в комплекте с лазерной указкой. Там две решётки, но насадка разбиралась и вытаскивалась одна решётка. Дифракционная решётка из CD совершенно не подошла, т.к. давала огромную ошибку в 100 нм.
Следующая фотография редкого источника света - молнии . Спектр заходит в УФ диапазон примерно до 373 нм, что является пределом для этого фотоаппарата.
Спектр белой газоразрядной лампы, которая освещает футбольное поле.
Фотография спектра ультрафиолетового светодиода 365 нм 3 Вт KW-UV-3WS-B KonWin.
Светодиод с длиной волны 365 нанометров имеет такой кристалл :
Он излучает ультрафиолет вместе с белым светом. Если на выключенный светодиод светить лампой чёрного света, то кристалл начинает флуоресцировать таким же лунным белым светом, как и при работе самого светодиода, но с меньшей яркостью. Похоже, что из-за этого эффекта не получается сделать светодиод с чистым излучением 365 нм - 370 нм.
