Lo spettrometro ottico
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Qui presento la costruzione di uno spettrometro ottico di semplice realizzazione. Uno spettrometro ottico è uno strumento in grado di mostrare lo spettro della luce. Questo, anche se è molto semplice, permette una risoluzione di circa 1 nm.
Here I will show the building of a simple optical spectrometer. An optical spectrometer is an instrument able to show the spectrum of the light. This, even if it is quite simple, allows a resolution of 1 nm.

Il principio di funzionamento è piuttosto semplice: la luce passa attraverso una fessura e attraversa un reticolo di diffrazione; lo spettro prodotto viene raccolto da una webcam e analizzato con un software opportuno.
The working principle is quite simple: the light go through a split and pass through a diffraction grate; the produced spectrum is
is collected by a webcam and analyzed with appropriate software.

Per la costruzione mi sono basato sulle istruzioni di Theremino: https://www.theremino.com/en/downloads/automation#spectrometer .
For the construction I relied on the instructions of Theremino website:  https://www.theremino.com/en/downloads/automation#spectrometer .

Qui si vede il contenitore; deve essere tutto verniciato nero opaco. La parete di destra ha la finestra che alloggerà la fessura che delimita il fascio di luce. Si vede anche il diaframma che ha lo scopo di schermare la luce non desiderata.
Here we see the box; it must be painted matt black. The right wall has the window that will house the slot that delimits the light beam. You can also see the diaphragm to shield unwanted light.

Qui sotto si vede il dettaglio del diaframma anti-riflessi e della fessura, ricavata da una latta dell'olio e tagliata con un disco da taglio per metalli Dremel. Lo spessore della fessura è di circa 2 mm.
Below you can see the detail of the anti-glare diaphragm and the slit, made from an oil can and cut with a Dremel metal cutting disc. The thickness of the slit is approximately 2 mm.

Questa è la parte attiva dello spettrometro. La webcam che ho scelto ha una risoluzione di 1080p. Alla webcam deve essere tolto il contenitore. L'obiettivo deve essere svitato completamente e deve essere rimosso il filtro infrarosso per estendere l'intervallo di valori misurabili. Il filtro infrarosso si presenta come un vetrino violetto quadrato; è l'elemento ottico più vicino al sensore della webcam. Deve essere tolto con delicatezza perché è incollato ed è molto sottile e fragile.
This is the active part of the spectrometer. The webcam I have chosen has a resolution of 1080p. The housing must be removed from the webcam. The lens must be unscrewed completely and the infrared filter removed to extend the range of measurable values. The infrared filter looks like a square purple slide; it is the optical element closest to the webcam sensor. You have to remove it gently because it is glued and very thin and fragile.

Intorno all'obiettivo c'è un tubetto nero che serve ad evitare che la luce proveniente dalla fessura colpisca direttamente l'obiettivo stesso. Ho usato un pezzetto di guaina termorestringente.
Around the lens there is a black small tube that prevents the light coming from the slot hitting the lens directly. I used a piece of heat shrink tube.

Il cuore dello spettrometro è il reticolo di diffrazione che si vede a sinistra: è quello che scompone la luce nelle sue varie componenti. Lo si può acquistare facilmente in internet; serve il modello con 1000 linee/mm. Occorre prestare attenzione all'orientamento del reticolo: le linee devono essere verticali rispetto alla webcam.
The heart of the spectrometer is the diffraction grating that can be seen on the left: it is the one that splits the light into its various components. You can easily buy it on the internet; you must use the model with 1000 lines/mm. Pay attention to the orientation of the grating: the lines must be vertical to the webcam.

Per permettere la messa a fuoco dell'obiettivo senza ruotare il reticolo non è possibile incollarlo all'obiettivo stesso. Ho quindi realizzato un supporto indipendente per fissarlo; lo si vede sulla destra, parzialmente smontato.
To allow the lens to be focused without rotating the grating it is not possible to glue it to the lens itself. I therefore made an independent support to fix it; you can see it on the right, partially disassembled.

Qui sotto si vede l'assemblaggio completo della telecamera e del reticolo di diffrazione. È montato su una tavoletta di legno per poterlo orientare facilmente in fase di taratura.
Here below you can see the complete assembly of the camera and the diffraction grating. It is mounted on a small wooden board for easy orientation during calibration.

Parte destra dello spettrometro. Si notino i bordi inclinati dello schermo anti-riflessi; è stato posto a circa 1/3 della lunghezza del contenitore. La fessura deve essere all'altezza della lente frontale dell'obiettivo.
Here it is shown the right side of the spectrometer. Note the angled edges of the anti-glare diaphragm; it has been placed approximately at 1/3 of the length of the box. The slot must be at the same height of the front lens of the objective.

Parte sinistra dello spettrometro. La tavoletta che sostiene la webcam e il reticolo di diffrazione è fissata con due viti passanti sui lati per permetterne l'orientamento. L'inclinazione è di circa 30 gradi. Aumentando l'inclinazione aumenta la luminosità ma diminuisce la risoluzione. La webcam è montata in modo che la sua parte alta sia rivolta sul lato sinistro dello spettrometro. La messa a fuoco deve essere effettuata sulla fessura.
Left side of the spectrometer. The small wooden board that supports the webcam and the diffraction grating is fixed with two screws on the sides to allow its orientation. The inclination is about 30 degrees. Increasing the tilt increases the brightness but decreases the resolution. The webcam is mounted so that its top is facing the left side of the spectrometer. The lens must be focused on the slit.

Questo è lo spettrometro completo prima di chiudere il coperchio.
This is the completed spectrometer just before closing the cover.

Davanti alla fessura è opportuno porre uno schermo di plastica traslucida per evitare luce diretta all'interno dello strumento. Lo schermo è fissato con due piccole calamite incassate nello spessore del legno della parete anteriore; una lastrina di ferro, annerita, lo tiene fermo.
A translucent plastic screen should be placed in front of the slot to avoid direct light inside the instrument. The screen is fixed with two small magnets embedded in the thickness of the wood of the front wall; a thin iron plate, painted black, holds it.

Qui sotto ci sono un po' di spettri presi con il mio spettrometro. Il software è quello di Theremino. Questo SW è portable: basta scompattarlo ed eseguirlo.
Below are a few spectra taken with my spectrometer. The software is Theremino. This SW is portable: just unpack it and run it.

Il primo spettro che si vede è quello relativo ad una lampada fluorescente compatta, nota come "a risparmio energetico", una CFL. Questo spettro è importante perché presenta due picchi, a 436 nm e a 546 nm, utili per la taratura dello spettrometro.
Si vedono bene i picchi caratteristici di una lampada fluorescente. I picchi possono variare da lampada a lampada, ma i due di riferimento sono fissi.
The first spectrum you see is relative to a compact fluorescent lamp, known as "energy saving", or a CFL. This spectrum is important because it has two peaks, at 436 nm and at 546 nm, useful for the spectrometer calibration.
The characteristic peaks of a fluorescent lamp are clearly visible. The peaks may vary from lamp to lamp, but the two reference points are fixed.

Questo è lo spettro del Sole. I buchi a 685 nm e a 760 nm sono dovuti all'assorbimento dell'ossigeno atmosferico.
This is the spectrum of the Sun. The holes at 685 nm and 760 nm are due to the absorption of atmospheric oxygen.

Questo è lo spettro di una lampada alogena. È evidente l'estensione dello spettro nella zona infrarossa.
This is the spectrum of a halogen lamp. The extension of the spectrum in the infrared area is clear.

Questa è una lampada di Wood; è una lampada fluorescente in cui il vetro filtra la tutta luce tranne la parte vicina dell'ultravioletto. È utilissima per stimolare la fluorescenza di vari oggetti.
This is a Wood lamp; it is a fluorescent lamp in which the glass filters all the light except the near ultraviolet part. It is very useful for stimulating the fluorescence of various objects.

Questo è lo spettro emesso da una zona bianca di un monitor Philips 273V7QDAB. Si vedono bene i picchi dei LED.
This is the spectrum emitted by a white area of a Philips 273V7QDAB monitor. The peaks of the LEDs are clearly visible.

Qui di seguito ci sono gli spettri di alcuni LASER. Si vede subito come lo spettro sia limitato ad un picco molto stretto. Indicherò la lunghezza d'onda nominale.
Below are the spectra of some LASERs. We immediately see how the spectrum is limited to a very narrow peak. I will indicate the nominal wavelength.

LASER infrarosso da 808 nm. Serve usualmente per il pompaggio di altri LASER.
808 nm infrared LASER. It is usually used for pumping other LASERs.

LASER rosso da 660 nm. È un ottimo LASER e potrebbe essere usato anche per olografia.
660 nm red LASER. It is a great LASER and could also be used for holography.

LASER HeNe rosso a 633 nm. Il colore è un bellissimo rosso scarlatto. Specifico "rosso" perché il LASER Elio-Neon può essere anche giallo, arancione e verde.
LASER HeNe red at 633 nm. The color is a beautiful scarlet red. I specify "red" because the Helium-Neon LASER can also be yellow, orange and green.

LASER verde a 532 nm. Ne ho due: uno è un modulo UG120 della LambdaPro. L'altro, quello usato per questo spettro, è un puntatore. Questo LASER non emette direttamente nel verde: è un DPSSL (Diode Pumped Solid State LASER). Un LASER a 808 nm pompa un secondo LASER (penso che sia un Nd:YVO4 - Neodymium doped Yttrium orthoVanadate) che emette nell'infrarosso a 1064 nm. Questa radiazione attraversa un cristallo di KTP (più esattamente: KTiOPO4 - Potassium Titanyl Phosphate) che ne dimezza la lunghezza d'onda. Ci sono dei filtri, probabilmente di scarsa qualità, che dovrebbero fermare le radiazioni infrarosse a 808 nm e a 1064 nm: i relativi picchi sono quindi ben visibili.
Green LASER at 532 nm. I have two of them: one is a UG120 module from LambdaPro. The other, the one used for this spectrum, is a pointer. This LASER does not emit directly the green light: it is a DPSSL (Diode Pumped Solid State LASER). An 808 nm LASER pumps a second LASER (I think it is a Nd:YVO4 - Neodymium doped Yttrium orthoVanadate) that emits in the infrared at 1064 nm. This radiation passes through a KTP crystal (more precisely: KTiOPO4 - Potassium Titanyl Phosphate) which halves its wavelength. There are filters, probably of poor quality, which should stop infrared radiation at 808 nm and 1064 nm: the relative peaks are therefore clearly visible.

LASER viola a 405 nm. Questo è il LASER usato nei lettori dei dischi Blu-ray. Stimola la fluorescenza in molti materiali.
Purple LASER at 405 nm. This is the LASER used in Blu-ray Disc players. It stimulates fluorescence in many materials.

 

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Pagina aggiornata il: 17 dicembre 2020.
Last update of this page: December 17, 2020.

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