throughput)of)an)optical)instrument)ii:) physical ... · ! 1!...

12
1 Throughput of an Optical Instrument II: Physical measurements, Source, Optics Question Value Answer (w/ units) Q1 Percent output between 450550 nm by mass Q2 Energy in J of a 500 nm photon Q3 Flux in mW per nm generated by lamp Q4 Number of 500 nm photons per second generated at source Q5 Surface area sphere radius AA’ Q6 Percent surface area collected at beam combiner Q7Flux in μ W per nm leaving beam combiner Q8 Surface area of sphere incident on source mirror Q8 Is source mirror over or under filled? Q9 Flux (nW per nm) incident on source mirror Q10 Flux (nW per nm) leaving transfer mirror Q11 Vignetting factor Q12 Flux (pW per nm) entering entrance slit Q13 Diffraction efficiency at 500 nm Q14 Flux (pW per nm) leaving exit slit Q15 Calculated θ r Q16 Width of spectrum Q17 Effective bandwidth Q18Flux leaving sample mirror (pW per nm) Q19 Photons per second leaving sample mirror (photons per second) Q20 Flux after sample (pW per nm)

Upload: others

Post on 27-Apr-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  1  

Throughput  of  an  Optical  Instrument  II:  Physical  measurements,  Source,  Optics  

Question-­‐  Value   Answer  (w/  units)  Q1-­‐  Percent  output  between  450-­‐550  nm  by  mass    

 

Q2-­‐  Energy  in  J  of  a  500  nm  photon    

 

Q3-­‐  Flux  in  mW  per  nm  generated  by  lamp    

 

Q4-­‐  Number  of  500  nm  photons  per  second  generated  at  source    

 

Q5-­‐  Surface  area  sphere  radius  AA’    

 

Q6-­‐  Percent  surface  area  collected  at  beam  combiner    

 

Q7-­‐Flux  in  µW  per  nm  leaving  beam  combiner    

 

Q8-­‐  Surface  area  of  sphere  incident  on  source  mirror    

 

Q8-­‐  Is  source  mirror  over  or  under  filled?    

 

Q9-­‐  Flux  (nW  per  nm)  incident  on  source  mirror    

 

Q10-­‐  Flux  (nW  per  nm)  leaving  transfer  mirror    

 

Q11-­‐  Vignetting  factor    

 

Q12-­‐  Flux  (pW  per  nm)  entering  entrance  slit    

 

Q13-­‐  Diffraction  efficiency  at  500  nm    

 

Q14-­‐  Flux  (pW  per  nm)  leaving  exit  slit    

 

Q15-­‐  Calculated  θr    

 

Q16-­‐  Width  of  spectrum      

 

Q17-­‐  Effective  bandwidth      

 

Q18-­‐Flux  leaving  sample  mirror  (pW  per  nm)    

 

Q19-­‐  Photons  per  second  leaving  sample  mirror  (photons  per  second)      

Q20-­‐  Flux  after  sample  (pW  per  nm)    

 

  2  

Q21-­‐  Photons  per  second  incident  on  detector    

 

Q22-­‐  PMT  current  in  pA  without  sample    

 

Q23-­‐  PMT  current  in  fA  with  sample        Part  A-­‐  Instrumental  Physical  Measurements  !!!!DO  NOT  TOUCH  OPTICAL  COMPONENTS  OF  THE  INSTURMENT!!!!    Measure  each  of  the  distances  below.  AA’  

A’B  

BC  

CD  

DE  

EF  

FG  

GH  

HJ     19  cm  

JK     3  cm

 

Estimated  slit  dimensions:  

D  &  F  vert-­‐  2.5  mm;  horz-­‐  0.5mm  

 

Estimated  mirror  sizes:  

A’     1cm  diameter  

B     2  x  2  cm  

C     2  x  2  cm  

G     2  x  2  cm  

H     4.5  x  4  cm  

 

Estimated  monochromator  angles:  

θi= 29

θr=  10    

  3  

Part  B-­‐  Photon  Generation  The  tungsten  lamps  (Beckman  coulter  PN  945672)  used  in  this  spectrometer  require  20W.1        1. Recall  that  for  red  dye  #40,  the  λmax=500  nm,  with  a  

broad  absorption  band  from  450-­‐550  nm.    From  the  graph  below,  estimate  the  fraction  of  photons  generated  between  450-­‐550  nm  generated  by  a  tungsten  filament  operating  at  3100  K.2-­‐  

a. First  estimate  the  fraction  by  eye.            

b. Then  cut  out  the  curve  and  weigh  the  entire  curve.    Then  cut  out  the  portion  between  450-­‐550  nm  and  weigh  it  and  use  the  masses  to  calculate  the  fraction  of  flux  generated  between  450-­‐550  nm.  Use  sheet  attached  to  the  back.  

         2. Calculate  the  energy  in  J  of  a  500  nm  photon.              3. Assuming  25%  efficiency  in  conversion  from  optical  power,  calculate  the  mW  per  nm  

generated  by  this  lamp  between  450-­‐550  nm.3    Assume  consistent  output  from  450-­‐550  nm,                  

4. How  many  500  nm  photons  per  second  would  be  generated?  

   

  4  

 Part  C-­‐  Photons  at  Beam  Combiner  5. Assume  an  isotropic  point  source,  meaning:  1.  The  source  is  infinitely  small,  and  2.  It  emits  

light  uniformly  in  3D.    Calculate  the  surface  area  of  a  sphere  with  radius  AA’.                  6. Calculate  the  percentage  surface  area  a  0.5  cm  diameter  beam  combiner  represents  of  the  

sphere  above.    Ignore  that  the  surface  of  the  beam  combiner  is  flat  while  the  surface  of  the  theoretical  sphere  is  curved.  

                         7. The  beam  combiner  located  at  A’  is  partially  silvered,  meaning  50%  transmission  and  50%  

reflection  of  incident  light.    Only  the  light  that  is  reflected  participates  in  the  measurement.  Calculate  the  flux  (µW/nm)  of  the  light  leaving  the  beam  combiner.  

         

  5  

Part  D-­‐  Flux  leaving  Source  and  Transfer  Mirrors  The  purpose  of  the  source  mirror  is  to  collimate  the  beam.    Diagram  the  beam  coming  onto  the  collimating  mirror  below.    Determine  and  label  the  focal  distance  and  radius  of  curvature  of  the  mirror.4                          8. Calculate  the  surface  area  of  the  sphere  incident  on  the  source  mirror.    Calculate  the  

percentage  surface  area  the  source  mirror  represents  of  the  sphere  generated  at  the  point  source.    Is  the  source  mirror  over  or  under  filled  relative  to  the  beam  combiner?  

                             9. If  the  answer  to  the  above  question  is  overfilled,  then  the  source  mirror  would  limit  the  

amount  of  flux  from  source  that  is  transmitted.    Recalculate  the  flux  incident  on  the  source  mirror  (nW  per  nm).  

                 

  6  

10. Assuming  that  the  source  and  transfer  mirrors  reflect  about  85%  of  the  beam  (percent  reflection  calculated  for  a  45°  incidence  angle),  calculate  the  flux  (νW  per  nm)  in  the  2x2cm  image  leaving  the  transfer  mirror.5  

                 11. Calculate  the  vignetting  factor  (ratio  of  area  of  the  image  from  the  transfer  mirror  and  the  area  

of  the  entrance  slit.                            12. Calculate  the  pW/nm  entering  the  entrance  slit,  assuming  uniform  irradiance  (the  photons  

from  the  transfer  mirror  are  evenly  distributed).                        Part  E-­‐  Wavelength  Dispersion  in  the  Monochromator  The  Echellette  grating  disperses  polychromatic  light  into  component  wavelengths  on  the  exit  slit.    Assuming  first  order  diffraction,  the  parameters  for  the  monochromator  grating  are  as  follows:  Focal  length=  30  cm;  grooves  per  mm=  1200;  reciprocal  linear  dispersion=  3nm  per  mm.    The  light  gathering  power  of  monochromator  matched  to  the  rest  of  the  optics.    

  7  

13. From  the  graph,  determine  the  diffraction  efficiency  at  500  nm.6      

 14. Calculate  the  flux  (pW  per  nm)  emerging  from  the  

exit  slit  considering  the  grating  efficiency.                15. Calculate  the  angle  θr  at  which  500nm  light  will  be  diffracted  off  the  grating.    Compare  this  to  

the  estimated  value  of  θi.                            16. Calculate  the  width  in  mm  of  the  entire  spectrum  of  the  source  lamp  (350-­‐1600  nm)  on  the  exit  

slit.              17. What  is  the  effective  bandwidth  associated  with  the  wavelength  of  the  500  nm  light  emerging  

from  the  exit  slit?          18. Calculate  the  flux  leaving  the  sample  mirror  accounting  for  losses  due  to  beam-­‐optics  

interactions.    Assume  85%  reflection  at  each  mirror.  

  8  

19. Calculate  the  number  of  500  nm  photons  leaving  the  sample  mirror            Part  F-­‐  Beam-­‐sample  interaction  and  photon  detection  20. Calculate  the  flux  in  pW  incident  on  the  detector  if  A=0.4  at  500  nm.    Be  sure  to  account  for  

reflection  losses  of  4%  at  each  interface  between  different  media.                  21. Calculate  the  number  of  photons  incident  on  the  detector  after  interacting  with  the  sample.              For  this  segment  of  the  calculations,  we  will  assume  that  we  are  using  a  PMT  detector  rather  than  the  Si-­‐based  detector  present  on  the  instrument.    Calculate  the  current  generated  using  the  watts  amps  spectral  response  shown  in  the  graph.7  22. Without  a  sample  (pA)?                    20.  With  a  sample  present  (fA)?        

  9  

Part  G-­‐  Electronic  processing  of  the  signal  23. Label  what  each  portion  of  the  circuit  accomplishes.8                      

         

  10  

References  1  Beckman  coulter  PN  945672)  2  http://www.intl-­‐lighttech.com/applications/light-­‐sources/tungsten-­‐halogen-­‐lamps  3  Not  sure  where  the  table  came  from.  4  http://spie.org/Documents/Publications/00%20STEP%20Module%2003.pdf  5  http://www.calctool.org/CALC/phys/optics/reflec_refrac  6  http://www.edmundoptics.com/optics/gratings/reflective-­‐holographic-­‐gratings/1621?#products  7  http://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=2909  8  Advanced  Analytical  Chemistry  Laboratory  Manual.    Spring  2004.    University  of  Arizona,  Department  of  Chemistry,  pg  95.      

  11  

   

  12  

                                                                                                                 1  Beckman  coulter  PN  945672)  2  http://www.intl-­‐lighttech.com/applications/light-­‐sources/tungsten-­‐halogen-­‐lamps  3  Not  sure  where  the  table  came  from.  4  http://spie.org/Documents/Publications/00%20STEP%20Module%2003.pdf  5  http://www.calctool.org/CALC/phys/optics/reflec_refrac  6  http://www.edmundoptics.com/optics/gratings/reflective-­‐holographic-­‐gratings/1621?#products  7  http://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=2909  8  Advanced  Analytical  Chemistry  Laboratory  Manual.    Spring  2004.    University  of  Arizona,  Department  of  Chemistry,  pg  95.