Как сделать спектроскоп своими руками
Дифракционные решетки. Самодельный спектроскоп или как определить спектр источника света?
Как же сделать спектроскоп своими руками?
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.
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
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:
Я вырезал из оптического слоя диска DVD+R фрагмент, получив импровизированную прозрачную дифракционную решетку:
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:
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:
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
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.
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
Полученная картина спектра обладает хорошей линейностью:
А вот спектры еще некоторых таких ламп:
Как видно, здесь наблюдается такая же структура спектра.
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:
А вот так устроен спектроскоп, работающий на отражение (англ. reflection spectroscope):
В качестве корпуса рекомендуется использовать почтовую коробку (среднего или малого размера), коробку из-под обуви, упаковка из-под овсянки.
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.
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)):
Второе перо мы нашли в саду:
Радуга
Явление радуги объясняетcя совместным действием преломления и дифракции на беспорядочно расположенных шарообразных капельках воды.
Интересные ссылки
Продолжение следует
Спектрометр своими руками за 5 долларов и немного OpenCV
В освоении физики лабораторные эксперименты проясняют понятия гораздо лучше лекций. Но из-за пандемии у автора статьи, переводом которой мы делимся к старту флагманского курса о Data Science, уже больше года не было лабораторных занятий; при этом большинство экспериментов последнего курса физики требуют сложных, дорогих приборов. Но автору бросились в глаза эксперименты со спектроскопом, и он решил из подручных материалов сделать свой, недорогой цифровой спектрометр, а для анализа вывода прибора написал программу на Python.
1. Немного теории спектрографии
Спектрометр — прибор, используемый для измерения свойств света. Это позволяет учёным использовать этот прибор для огромного количества экспериментов, таких как определение материалов, обнаруженных в объектах из повседневной жизни, или определение элементов, обнаруженных на далёких звёздах и планетах.
Основная концепция спектрометра заключается в том, что «неизвестный» луч света подаётся на оптический элемент, разделяющий луч по длинам волн, присутствующих в «неизвестном» луче света. Каждая длина волны отклоняется на разную величину, поэтому, измеряя отклонение, можно определить длины волн в «неизвестном» луче света, что потенциально может дать больше информации об источнике света, даже если он возник на расстоянии миллионов километров.
Спектрометр тогда и сейчас
В прежние времена учёные использовали призмы для разделения луча света на составляющие и поворотный окуляр для измерения углового отклонения длины волны каждой составляющей. Однако совсем недавно призму заменили дифракционной решёткой, которая служит той же цели, что и призма, а окуляр заменили подключённым к компьютеру электронным фоторецепторным блоком.
2. Материалы
Все материалы довольно легко найти, и, возможно, они уже есть у вас дома):
чёрная картографическая бумага;
Без веб-камеры обошёлся дешевле 5 долларов.
3. Расчёт корпуса
Корпус мог быть изготовлен с использованием любого вида коробки, но я решил сделать его с нуля, чтобы он идеально подходил по размеру для моей веб-камеры. Начните с измерения веб-камеры. Сложите коробку в соответствии со следующими измерениями:
длина — от 20 до 25 см;
ширина — на 2 см больше ширины веб-камеры;
высота — на 1 см выше, чем высота веб-камеры.
Прочертите 6 граней коробки в соответствии с размерами на листе картона, кусочки отрежьте ножом. На задней панели сделайте прорезь, через которую можно пропустить кабель веб-камеры, а на передней панели — прорезь размером 2×1 см посередине на высоте объектива камеры. Приклейте все грани на лист чёрной картографической бумаги, разрежьте бумагу по границам картонных кусочков и склейте. Чтобы избежать путаницы, можно разметить грани карандашом.
4. Сборка корпуса
Возьмите нижнюю грань и две боковые грани и поместите их рядом. Лентой соедините три части вместе, затем, убедившись, что ориентация граней сохраняется, прикрепите переднюю и заднюю грани дополнительной лентой. Верхняя грань прикреплена вдоль одного края, так что мы можем открыть корпус, верхняя грань будет откидной крышкой на случай, если нам потребуется позже что-то изменить. Чтобы свет не проникал через верх, отрежьте ещё несколько кусочков картона, сделав небольшое перекрытие. Загляните в корпус через одну из щелей и убедитесь, что в коробку не проникает свет. Чтобы закрыть зазоры, можно использовать дополнительный слой изоленты или любой другой непрозрачной ленты.
5. Делаем прорезь
Чтобы сделать входную щель, приклейте одно из лезвий вертикально, чтобы закрыть часть щели на передней поверхности. Приклейте второе лезвие бритвы рядом с первым, используя один лист бумаги, чтобы создать тонкий зазор между двумя лезвиями. Приклейте изолентой второе лезвие и ею же закройте все зазоры, чтобы свет не попадал в корпус.
6. Дифракционная решётка из CD-диска
Этот шаг в проекте — самый важный. Дифракционная решётка отвечает за разделение луча света в соответствии с длиной волны. Одним из вариантов было бы просто купить дифракционную решётку. Они обычно доступны в Интернете примерно за 4–5 долларов. Другой вариант — использовать в качестве решётки старый DVD-диск; результат будет схожим с результатом от решётки за 5 долларов. Сначала разрежьте диск ножницами. Углубляясь в диск, вы заметите, что он состоит из двух слоёв, которые начнут отделяться. Полностью отделите их друг от друга и выбросьте слой с серебряным покрытием. Отрежьте четверть от второй половины и выровняйте края, чтобы получился прямоугольник чуть больше ширины объектива.
Крепление решётки на камеру
Затем приклейте этот кусочек на объектив. Обязательно работайте с временным клеем, чтобы на случай, если вы захотите использовать веб-камеру для чего-то другого, дифракционную решётку можно было убрать.
Примечание: один из важных шагов, чтобы соорудить ваш спектрометр, — сделать так, чтобы концентрические канавки вдоль диска были выровнены вертикально, то есть они должны быть параллельны прорези. Если это не так, дифракции не будет.
7. Установка камеры
Как только дифракционная решётка будет прикреплена к веб-камере, пропустите кабель через заднюю прорезь корпуса и поместите веб-камеру в заднюю часть корпуса под углом 30 ° относительно передней поверхности и выровняйте с прорезью спереди. Прежде чем установить веб-камеру на место, подключите её к компьютеру и откройте приложение камеры. Направьте спектрометр на источник света и регулируйте положение веб-камеры до тех пор, пока спектр дифракции не окажется в центре изображения. Теперь можно двусторонней лентой приклеить веб-камеру к нижней грани.
8. Тестирование
Чтобы проверить, правильно ли работает ваш спектрометр, наведите его на источник света и регулируйте высоты источника и спектрометра до тех пор, пока они не выровняются. Подойдёт стопка книг или что-то ещё, а я решил подложить несколько старых рулонов нити 3D-принтера. Подключите веб-камеру к компьютеру и откройте приложение камеры. На изображении должен быть чёткий дифракционный спектр.
9. Работа с ПО спектрометра
Простое представление спектра даёт немного информации, поэтому, чтобы построить график интенсивности света, я разработал программу на Python. Она вычисляет относительное расстояние между «пиками», которое может использоваться в определении длин волн источника света. Чтобы запустить программу, нужно установить Python и несколько библиотек с открытым кодом:
Установив библиотеки, можно клонировать программу анализатора спектра из этого репозитория. Затем запустите программу и вы увидите фид веб-камеры. Наведите камеру на источник света и, чтобы захватить интересующую область, на клавиатуре нажмите кнопку «r». Щёлкните и проведите мышью по спектру и нажмите Enter. Как только выбрана нужная область, нажмите кнопку «s», чтобы захватить кадр и проанализировать интенсивность через визуализацию. Для выхода из программы можно нажать «q».
10. Результаты
Чтобы измерить длины волн определённого 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, например, можно определить и измерить содержание натрия в поваренной соли или содержание хлорофилла в оливковом масле. При помощи этого недорогого спектрометра можно проводить разные простые и интересные эксперименты прямо у себя дома. А если вам интересно экспериментировать и с другими видами данных, понимать их, отличать сезонные явления от реальных тенденций и делать корректные выводы, вы можете присмотреться к нашему флагманскому курсу о Data Science, где студенты получают опыт, равный опыту после трёх лет самостоятельного изучения науки о данных. Или, если вам больше по душе программирование, вы можете обратить внимание на курс о Fullstack-разработке на Python.
Узнайте, как прокачаться и в других специальностях или освоить их с нуля:
Самодельный спектрометр с высоким разрешением
Хорошее разрешение достижимо
В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.
Основные характеристики
Спектрометр работает в диапазоне 400-700 нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.
Конструкция и изготовление прибора
Дифракционная решетка
Просто красивый спектр свечи на DVD-R диске
Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.
Дифракционная решетка из DVD-R диска
Изготовление сменных оптических щелей
В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.
Корпус спектрометра
Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.
Зеркальная фотокамера NIKON D5100
Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.
Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.
Настройка и калибровка спектрометра
Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.
Лампа для калибровки
Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.
Спектр лампы с линиями ртути Две линии ртути крупным планом Еще крупнее
Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3 пикселям матрицы. Делаем вывод – разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.
Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench
Спектр лампы, которую я применял для калибровки
Измерение различных спектров
Были проведены несколько классических экспериментов.
Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. Полдень 
Спектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нм Опыты по определению концентраций растворов KMnO4 
Спектр пламени газовой горелки
На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.
Обработка результата
Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.
Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени
Полезные ссылки:
Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.
Информационная система «Электронная структура атомов». Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.