모노크로메이터 정의, 구성 및 역할

1. 모노크로메이터 정의

모노크로메이터는 넓은 범위의 파장에서 선택된 빛 또는 방사선을 대역폭이 매우 좁은 파장으로 전송하는 광학 장치로 프리즘이나 회절 격자를 사용하여 빛의 색상을 분리합니다.

 

실제 사용되는 모노크로메이터는 광원이 가까이 있고  광학 시스템이 광원의 발산 광을 평행관으로 변환합니다. 일부 모노크로메이터는 별도의 콜리메이터(Collimator)가 필요하지 않은 포커싱 격자를 사용하지만 대부분은 콜리메이팅 미러를 사용합니다. 

 

* 콜리메이터(Collimator) : 입사광선이나 입사 입자의 줄기를 평행하게 만들어 주는 장치

 

2. 모노크로메이터 구성 및 역할

1)  회절 격자 및 블레이즈 격자(Diffraction gratings and blazed gratings)

격자 모노크로메이터(Grating monochromator)는 마스터 격자로 빛을 분산시키는데 마스터 격자는 촘촘한 간격의 홈이 있는 단단하고 평평한 표면으로 구성되어 있습니다.

마스터 격자의 구성은 그루브(grooves)가 동일한 크기이고 평행해야 하며 격자 길이가 균등한 간격을 유지해야 하므로 만드는데 시간과 비용이 많이 듭니다. 

 

회절 격자(diffraction grating)를  사용하는 경우 회절 패턴의 차수가 중첩되기 때문에 광대역 모노크로메이터를 디자인 할 때  주의를 기울여야 합니다. 

 

블레이즈 격자(blazed grating)는 규칙 격자(ruled gratings)에서 삼각형 홈의 기울기가 특정 회절 차수의 밝기를 향상하게 시킬 수 있는 격자입니다.  그러나 규칙 격자는 단색광기의 미광 수준(stray light level)을 높일 수 있는 희미한 "ghost" 회절 차수를 생성하는 단점이 있습니다.

 

이후 포토리소그래피 기술의 발전으로 홀로그래픽 간섭 ​​패턴으로부터 격자를 생성할 수 있게 되었습니다. 홀로그래픽 격자(holographic gratings)는 밝지는 않지만 블레이즈 격자(blazed grating)보다 산란광 수준이 더 낮습니다.

 

모노크로메이터에 실제로 사용되는 거의 모든 격자는 규칙 또는 홀로그래픽 마스터 격자를 사용합니다.

 

2)  초점거리(Focal length)

모노크로메이터가 생성할 수 있는 밴드의 협소함은 모노크로메이터 콜리메이터의 초점 거리와 관련이 있습니다. 더 긴 초점 거리의 광학 시스템을 사용하면 광원에서 받아들일 수 있는 빛의 양이 감소합니다.

많은 분야에서 약 0.4 m 초점 거리를 가진 모노크로메이터는 분해능이 우수하다고 평가합니다.

하지만 대부분의 많은 모노크로메이터는 초점 거리가 0.1미터 미만입니다.

 

3)  슬릿 높이(Slit height)

일반적인 광학 시스템은 구면 콜리메이터(spherical collimators)를 사용하므로 슬릿 이미지가 초점을 맞추는 필드를 곡선으로 만드는 광학적 수차(aberrations)를 포함합니다.

따라서 슬릿은 이미지 곡률을 근사하기 위해 단순히 직선이 아닌 곡선이 되는 경우가 있습니다.

이를 통해 더 높은 슬릿을 사용하여 더 많은 빛을 모으는 동시에 높은 스펙트럼 분해능을 얻을 수 있습니다. 일부 디자인은 다른 접근 방식을 취하며 대신 곡률을 보정하기 위해 토로이달 콜리메이팅 미러(toroidal collimating mirrors)를 사용하여 분해능을 떨어뜨리지 않고 더 높은 직선 슬릿을 허용합니다.

 

* 구면수차(spherical aberration)

빛을 모으기 위한 렌즈는 한 점을 중심으로 원을 그리는 곡면으로 이루어져 있습니다. 그러나 광축의 한 점에서 나온 광선들이 렌즈를 거친 후 정확히 한 점에서 만나지 못하고 초점의 위치가 달라져 이미지가 퍼져 보이는 현상이 발생합니다. 이것을 구면수차라고 합니다.

 

 

4) 스펙트럼 대역폭(Spectral bandwidth)

스펙트럼 대역폭은 빛이 최대값의 절반에 도달한 지점에서 삼각형의 너비로 정의됩니다( Full with half maximum, FWHM). 일반적인 스펙트럼의 bandwidth는 1nm 정도입니다. 그러나 분석을 위해 설정을 변화시킬 수 있습니다. 더 좁은 대역폭은 분해능을 향상하지만 신호 대 잡음비도 감소시킵니다.