Как сделать бумажный спектроскоп со шкалой
В Интернете есть множество инструкций по изготовлению спектроскопа из бумажной коробки и компакт-диска. Однако все они служат только для демонстрации того, что белый свет разлагается на цветовой спектр с помощью дифракционной решетки. Поэтому я создал свою, которую можно реально измерить. Эта статья содержит инструкции по его изготовлению и примеры измерений. Спектроскоп можно использовать для ручного измерения длины волны света или в сочетании с телефоном или камерой для оценки спектральных кривых, превращая ручной спектроскоп в цифровой спектрометр.
Как это работает
Если плоская световая волна ударяется о препятствие (величина которого сравнима с длиной волны света), на этом препятствии происходит дифракция света. Дифракционная решетка содержит тонкие светлые и темные полосы, которые действуют как миниатюрные препятствия. После того, как свет проходит через световые полосы, свет рассеивается во всех направлениях, при этом световые волны изгибаются (интерферируют) под определенным углом. Световые волны v с разной длиной волны (цветом) продолжаются под разными углами после прохождения через дифракционную решетку. Таким образом, белый свет изгибается на дифракционной решетке и распадается на отдельные цвета радуги.
Мы также можем рассматривать компакт-диск (КД) как дифракционную решетку. Содержит тонкие полосы, на которых записываются данные. Изображение выше представляет собой фотографию компакт-диска с электронного микроскопа. Расстояние между центрами отдельных полос составляет 1600 нм, что в пересчете на плотность дифракционной решетки составляет 625 штрихов / мм.
Бумажный ящик спектроскопа служит темной камерой, в которую сквозь щель проникает узкая полоска белого света. Свет попадает на дифракционную решетку компакт-диска. На решетке возникает решетка разных длин волн (цветов) света под разными углами. Если смотреть через дифракционную решетку (окуляр) в темную камеру, цветные дифракционные линии проецируются в масштабе в темной камере. На шкале мы можем измерить длину волны света определенного цвета. Изображение выше не только иллюстративно, но и показывает фактические углы дифракционной решетки от компакт-диска.
Инструкция по изготовлению спектроскопа
Используя свободный глаз, мы можем наблюдать в этом спектроскопе длины волн примерно от 400 до 700 нм. Разрешение 10 нм. Те, у кого острое зрение, могут достигать уровня 5 нм. Точность измерения абсолютного значения конкретной длины волны зависит от начальной калибровки.
Давай скачиваем PDF файл и распечатать на офисной бумаге формата А4.
Вырежьте чешую и отложите в сторону. Оставшийся участок накройте плотной черной бумагой и дайте ему полностью высохнуть.
Вырежьте фигуру из бумаги по толстым линиям. Аккуратно проведите пунктирными линиями через лезвие бритвы и согните. Прорезь для входа света должна быть примерно 0,3 мм в ширину. Края прорези должны быть максимально прямыми. От этого также зависит качество отображения спектральной линии.
Вырезав форму, склейте все детали, кроме окуляра.
В качестве дифракционной решетки будем использовать CD (не DVD - у него другая плотность решетки). Отметьте квадрат размером примерно 10х10 мм и ножницами вырежьте его из компакт-диска. Резать легче, если немного нагреть компакт-диск под лампой.
Со стороны отпечатка приклеим скотч.
Отрываем скотч с принтом и у нас получается прозрачный кусок пластика. Очищаем оголенную поверхность и больше не трогаем ее руками, чтобы дифракционная решетка не разрушилась.
Приклейте кусок компакт-диска в окуляр окуляра так, чтобы дуга оригинального компакт-диска была параллельна прорези. Ориентация дужки указывается на правой стороне окуляра снаружи. Закройте окуляр окуляра, не приклеивая его, наведите его на люминесцентную лампу и убедитесь, что спектральные линии параллельны щели. Если линии изогнуты, отрегулируйте положение компакт-диска, слегка повернув его, пока клей не высохнет полностью. Если все в порядке, плотно приклейте окуляр окуляра.
Сама шкала должна быть сделана из тонкой бумаги, чтобы через нее проходил небольшой свет для считывания шкалы. Если есть возможность, можно распечатать шкалу на прозрачной фольге. Приходится приклеивать шкалу в нужное положение - откалибровать.
Калибровку производим, наводя спектрометр на люминесцентную лампу и приклеивая шкалу в таком положении, чтобы синяя линия спектра проходила как можно точнее со значением 436 и зеленой линией 546.
С помощью этого спектроскопа вы можете:
- Наблюдайте за разложением белого света на спектр цветов.
- Наблюдайте за дискретными спектрами излучения и поглощения.
- Обратите внимание на линии фраунгофера.
- Измерьте длину волны определенного цвета света
- Измерьте диапазон длин волн, который может видеть конкретный человек
- Измерьте диапазон длин волн, излучаемых источником света
- Определите состав газовых ламп.
- Определите некоторые элементы, используя испытание пламенем
- Определите некоторые металлы с помощью искровых спектров
- Анализировать спектральные кривые как зависимость интенсивности от длины волны.
- Определите коэффициент пропускания оптических фильтров.
- Определять некоторые элементы атмосферы по поглощению света
- Преобразование длины волны из нанометров в частоту или антремес
- Измерьте температуру поверхности солнца или некоторых черных тел.
Создание спектральной кривой из фотографии
Этот бумажный спектроскоп в основном предназначен для ручных измерений, но если мы прикрепим камеру к окуляру спектроскопа, мы сможем записать измерение как изображение. Это изображение может быть дополнительно подвергнуто цифровой обработке для создания спектральной кривой (профиля), превращающей спектроскоп в спектрометр. Спектральная кривая представляет собой графическую зависимость интенсивности от длины волны. Проще говоря, определенный цвет света имеет свою длину волны, а интенсивность - это энергия (яркость) на этой длине волны.
Для спектрального профиля необходимо выбрать из оригинал область изображения за пределами масштаба. В MS Paint мы рисуем тонкие белые линии в позициях 400 и 700 нм. Обрежьте изображение до ширины линий и высоты 1 пиксель.
Используйте команду изменения размера, чтобы увеличить высоту изображения до 200 пикселей, сохранив ширину. Получаем идеально параллельные спектральные линии.
Есть несколько программ для оценки яркости спектральных линий. Я использовал ImageJ. Используйте значок линии, чтобы провести горизонтальную линию через все изображение. В меню выберите: Анализировать - Профиль графика. Кривая интенсивности строится в зависимости от положения пикселей. Нажмите кнопку «Сохранить» и сохраните измеренные значения в текстовый файл.
Измеренные значения из текстового файла можно обработать в электронной таблице. Я использовал Excel. Первый столбец - это положение x в пикселях. Мое изображение имеет ширину линии от линии до линии 1269 пикселей в диапазоне длин волн 700-400 = 300 нм. Таким образом, мы пересчитываем пиксели на нанометре более 300/1269 = 0,236 нм / пиксель и добавляем начальное значение линии 400 нм.
Второй столбец измеренных данных выражает интенсивность в оттенках серого, где 0 - полностью черный, а 255 - чистый белый. Мы конвертируем эти значения в проценты, чтобы значение 255 составляло основу 100%. Получаем относительное значение интенсивности. Мы отобразим пересчитанные значения на графике. В качестве фона графика выбираем анализируемое изображение спектральных линий. На изображении выше моя спектральная кривая сравнивается со спецификацией производителя энергосберегающей лампы Exo-Terra-Natural.
Люминесцентные лампы содержат ртуть с типичным спектром излучения синего 436 нм и зеленого 546 нм. Другие цвета достигаются путем добавления других элементов, вместе создающих белый свет.
Линии фраунгоффера
Я оценил солнечный свет аналогичным образом. Я не направлял спектрометр прямо на солнце, потому что свет был слишком интенсивным. Я поймал рассеянный свет облачного неба.
Я использовал камеру с удаленным обрезным фильтром, поэтому захватываемый свет находится в диапазоне 300-800 нм.
Солнце излучает непрерывный спектр, в котором есть темные полосы - линии фраунгоффера. Это результат поглощения света химическими элементами, присутствующими в хроносфере Солнца и атмосфере Земли. Длины волн поглощения для отдельных элементов являются общеизвестными табличными значениями.
Измерение температуры черного тела
Абсолютно черное тело - это тело, которое не отражает никакого света. Если мы нагреем такое тело, оно автоматически испускает непрерывный спектр света. Сначала с преобладанием инфракрасного излучения, затем видимого света и при высоких температурах вплоть до ультрафиолета. Как нагревание металла. При низких температурах он красный, при более высоких - желтый, а при очень высоких температурах - горячий до белого.
Для определенной температуры черного тела существует значение максимальной интенсивности на определенной длине волны в непрерывном спектре. Поэтому мы находим максимум из спектрального профиля и присваиваем ему температуру. Однако максимум в видимом спектре есть только для диапазона температур 3500-6500 ° C. С этим связано определение температуры источника света в Кельвинах. То есть в спектре преобладает теплый красный или холодный синий.
Солнце также можно считать черным телом, потому что свет только излучает, а не отражает. Из анализа солнечного спектра я получил максимум при 540 нм, что соответствует температуре 5367 K, что составляет 5094 ° C. Таким образом, поверхность солнца имеет температуру порядка 5000 ° C.
Видеоанализ в реальном времени со спектроскопа
Если мы снимаем изображение спектроскопа с помощью веб-камеры, мы получаем видеоспектр в реальном времени. Анализ спектра в реальном времени имеет смысл только в том случае, если спектр изменяется с течением времени. Например, при нагреве лампы после включения.
Отличная программа Theremino Spectrometer используется для оценки видео с веб-камеры. Он включает в себя калибровку и различные варианты отображения.
Другой вариант - использовать онлайн-приложение Spectralworkbench. Его преимущество в том, что его не нужно устанавливать. Напротив, недостаток в том, что для калибровки необходимо зарегистрироваться.
Также есть несколько приложений для Android, непосредственно обрабатываемых в смартфоне, например, простое AspectraMini.
Лично я мало использую анализ спектра видео. Если мне нужно записать изменение спектра с течением времени, я настраиваю камеру на последовательную съемку через равные промежутки времени. Еще один недостаток обработки изображений с помощью камеры заключается в том, что если я перемещаю камеру относительно спектроскопа, мне придется снова выполнить калибровку длины волны. К тому же разрешение видео и экспозиция хуже, чем у широкоформатной фотографии, что сказывается на разрешающей способности спектроскопа.
Спектры источников света
Ниже приведены примеры спектров различных источников света. При очень слабом освещении мне приходилось использовать высокие ISO, поэтому в них много шума.
 |
 |
Зеленый лазер с определенной длиной волны 532 нм
 |
 |
Зеленый светодиод
 |
 |
Красный лазер
 |
 |
Красный светодиод
 |
 |
Инфраламп
 |
 |
Инфракрасный светодиодный пульт дистанционного управления на телевизоре
 |
 |
RGB светодиод
 |
 |
Натриевая лампа (Na)
 |
 |
Соль (NaCl) превращает пламя в оранжевый цвет
 |
 |
Неоновый тигель
 |
 |
Выключатель выдвижения с подсветкой
 |
 |
Ультрафиолетовая лампа (UVC)
Спектры искры
Свет от проводящих материалов может быть возбужден искрой. Разные материалы дают искры разного цвета, и мы можем анализировать этот свет. Однако искры очень слабые и смешиваются с синим светом самой электрической дуги.
В качестве источника тока я использовал автомобильное зарядное устройство 12В / 5А.
 |
 |
Спектр искры медного проводника
 |
 |
Стальной гвоздь
 |
 |
Алюминий от чайной свечи