¿Por qué alguien elegiría una rejilla de resolución más baja en lugar de una más alta al realizar espectroscopia?

Tiene razón en que el uso de una rejilla más dispersiva extenderá más su señal en el detector. Por lo tanto, si tiene una fuente con un flujo establecido por unidad de intervalo de longitud de onda, entonces una rejilla más dispersiva disminuye el intervalo de longitud de onda por píxel en el detector y, por lo tanto, disminuye el flujo por píxel en el detector. Esto, a su vez, puede reducir la señal a ruido por intervalo de longitud de onda porque hay un "ruido de lectura" fijo asociado con cada píxel. Además, si su detector tiene un tamaño físico determinado, puede obtener menos espectro en el detector si usa una dispersión más alta.

En términos generales, su objetivo sería acumular su espectro para que no esté limitado por el ruido de lectura. Es decir, el ruido asociado con la intensidad de la señal en cada píxel (básicamente, la raíz cuadrada del número de fotones detectados) debería exceder significativamente el ruido de lectura. Para lograr esto, necesitaría observar más tiempo con una rejilla de dispersión más alta y más tiempo que el factor por el cual la dispersión había aumentado. Esto puede no ser práctico (por ejemplo, ¡quizás necesite observar algo durante más tiempo del que está sobre el horizonte!) o puede ser que las exposiciones de más de una hora (según mi experiencia) se vean tan afectadas por los rayos cósmicos que son ya no es útil.

Por lo tanto, está intercambiando la información adicional que obtiene del espectro de mayor resolución con un rango espectral más pequeño (que en realidad podría mejorarse utilizando un espectrógrafo echelle de dispersión cruzada para un solo objeto) y una menor eficiencia de observación en términos de tiempo necesario para llegar a una determinada señal a ruido por intervalo de longitud de onda.

tl; dr: 1) El alto poder de resolución puede provenir de un orden alto, y la superposición de órdenes puede ser un problema. 2) Si su aplicación implica la medición y el análisis de un espectro continuo , entonces lo último que desearía tener es una pendiente nula o pronunciada en la eficiencia de la rejilla en su rango de longitud de onda espectroscópica de interés, porque siempre cuestionará su calibración.

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Las rejillas por sí mismas no tienen una "resolución" adecuada, esa es una propiedad de un sistema de espectroscopia completo (rendija, óptica, detector, etc.).

Sin embargo, las rejillas pueden tener algo llamado poder de resolución que depende de cuántos surcos ilumine el instrumento:

Poder de resolución: El poder de resolución de una rejilla es una medida de su capacidad para separar espacialmente dos longitudes de onda. Se determina aplicando los criterios de Rayleigh a los máximos de difracción; dos longitudes de onda se pueden resolver cuando el máximo de una longitud de onda coincide con el mínimo de la segunda longitud de onda. El poder de resolución cromática (R) se define por R = λ/∆λ = nN, donde ∆λ es la diferencia de longitud de onda resoluble, n es el orden de difracción y N es el número de ranuras iluminadas.

que es solo una medida de cuán ampliamente distribuyen las cosas sin tener en cuenta la utilidad de un sistema completo.

Una analogía podría ser un telescopio f = 1000 mm de baja calidad con un ocular f = 4 mm y un Barlow 3x utilizado al nivel del mar poco después de la puesta del sol. Su aumento definitivamente será de 750x, pero su aumento útil podría ser muchísimo menor.

La ecuación para resolver el poder en ese tutorial es

$$R = \lambda / \Delta \lambda = n N$$

dónde$n$es el orden de rejilla utilizado y$N$es el número de ranuras de la rejilla iluminada.

Por que es$nN$¿importante? Podemos pensar en una rejilla como un método para interferir haces de diferentes longitudes de trayectoria, un poco como si se usaran platos en una gran matriz para hacer lo mismo.

Sabemos que la resolución de una matriz depende de qué tan grande se divida la matriz por la longitud de onda de radio.

También sabemos que la resolución de difracción de un telescopio depende de la cantidad de longitudes de onda que caben en un diámetro, pero un telescopio tiene un sistema de imagen curvo y una matriz plana como una matriz de radiotelescopio o una rejilla se basan solo en diferencias enteras en la longitud de la trayectoria. y dejar que Huygens les permita interferir.

¿Por qué alguien elegiría una rejilla de poder de resolución de resolución más baja en lugar de una más alta al realizar espectroscopia?

clasificación de pedidos

Además del argumento del rango espectral en la pregunta, existe el problema de la superposición de órdenes.

Una forma de aumentar el poder de resolución de una rejilla es operarla en un orden superior$n$. Los espectrómetros de más alta resolución a menudo usan rejillas Echelle que funcionan a quizás$n$= 10 a 50.

El precio que paga por eso se puede deducir de la ecuación de rejilla

$$\sin \theta_i - \sin \theta_o = n \lambda / d$$

con foco en el$n \lambda$parte. por ejemplo el$n$= 9 orden difractado de 500 nm caerá justo encima de la$n$= 10 orden difractado de 500 nm, y su sensor no podrá distinguirlos.

nota: @ProfRob señala que se puede usar un filtro de clasificación de pedidos y eso es común en la espectroscopia. Si su luz visible puede dejar pasar los rayos UV y su sensor puede responder a ellos, ese es un caso bastante común.

Ángulo de Blaze y anomalías de Wood

Sin entrar en demasiados detalles, mientras que el comportamiento dispersivo de una red de difracción dada sigue ecuaciones matemáticas estrictas y fáciles de usar, su comportamiento de eficiencia en función de la longitud de onda puede ser un desastre.

Es posible que tenga una rejilla de alta dispersión (y tal vez un poder de resolución) que tenga algún comportamiento patológico en una longitud de onda de interés y una rejilla de baja dispersión cuyo "punto óptimo" esté justo donde desea mirar.

Si su aplicación involucra la medición y el análisis de un espectro continuo , entonces lo último que desearía tener es una pendiente nula o fuerte en la eficiencia de la red en su rango de longitud de onda espectroscópica de interés, porque siempre pondrá en duda su calibración.

¿Por qué? Debido a que la calibración siempre es un desafío y estas anomalías (especialmente cuando son nítidas) tendrán dependencias angulares, lo que significa que qué tan bien llene el ángulo de entrada del espectrómetro podría afectar la eficiencia.

No querrás abrir esa lata de gusanos si puedes evitarlo.

Solo un ejemplo esquemático rápido de https://www.horiba.com/en_en/difraction-gratings-ruled-holographic/

Este no es un gran ejemplo, pero puede ver que incluso con la misma dispersión, la anomalía de Wood (que cae en el espectro de eficiencia de dibujos animados) está en diferentes lugares para diferentes rejillas, y la eficiencia general frente a la longitud de onda también es diferente.