Design, production and performance analysis of a multi-pass matrix optical system for trace spectroscopy

Bu çalışmada, kurulması planlanan atmosferik eser gaz ölçüm sistemi için çok geçişli matris optik sistemin (ÇGMS) tasarımı ve üretimi anlatılmaktadır. Ölçüm sistemi, çeşitli termal koşullarda sisteme çeşitli atmosferik gazların salınmasıyla sentetik atmosfer konfigürasyonlarının elde edilebildiği, sızdırmaz vakumlu bir odadır. ÇGMS, spektroskopik ölçümlerin hassasiyetini artırmak amacıyla, kavite içindeki optik yolu uzatmak için tasarlanmıştır. Üç objektif ve iki alan aynasından oluşan modifiye edilmiş bir Chernin hücre tasarımı olan optik sistem, kavite boyunca 288'e kadar geçiş elde etmek için ayarlanabilmektedir. Ayna sisteminin tasarım parametreleri ve optimum konfigürasyon, OpticStudio yazılımı ile ışın izleme tekniği kullanılarak simüle edilmiştir. Simülasyon sonucu performans çıktısı ve optik kusurlar analiz edilmiştir. Analiz sonucunda geometrik kaybın ve astigmatizmin ihmal edilebilir olduğu, eksen dışı açıların küçük olduğu ve odak özelliklerinin korunduğu gösterilmiştir. ÇGMS'nin performans deneyleri, açık atmosfer ortamına yerleştirilmiş bir optik küvet aracılığıyla süper sürekli lazer kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Soğurucu ve saçıcı davranışını simüle etmek için iki tip numune seçilmiştir. Kristal viyole (CV) ve polipropilen (PP) için görünür spektral bölgede farklı geçiş sayıları ve farklı konsantrasyonlar için soğurum ve saçılma spektroskopisi yapılmıştır. Analiz sonucunda küvetli ölçüm sistemi için optimum geçiş sayısı 4x4 matris düzeni ile 32 olarak belirlenmiştir. CV için minimum algılama limitinin 2.48 nM ve PP için 16.8 µM olduğu bulunmuştur. Sonuçlar alternatif spektroskopi teknikleri ile karşılaştırılmıştır. Performans çalışmaları ve karşılaştırmalar ÇGMS'nin atmosferik çalışmalardan çevre bilimine kadar birçok alanda moleküllerin ve saçıcı mikropartiküllerin tespit ölçümleri için kullanılabilir olduğunu göstermektedir. Sistem, diğer ölçüm teknikleri ile rekabet edebilir, güvenilir, basit, düşük maliyetli, hızlı ve taşınabilir bir çözüm sunmaktadır.