วันเสาร์ที่ 22 สิงหาคม พ.ศ. 2552

Interferometer MO Memoir : วันจันทร์ที่ ๒๗ กรกฎาคม ๒๕๕๒

Interferometer เป็นอุปกรณ์ตัวหลักของเครื่อง FT-IR (Fourier-Transform Infrared)

ที่อาศัยหลักการแทรกสอดของแสง หลักการทำงานของอุปกรณ์ตัวนี้ย้อนหลังไปถึงสมัยการทดลองของไมเคิลสันและมอร์เรย์ (MIchelson and Morley) ในปีพ.ศ. 2430 (หรือปีค.ศ. 1887) ที่ทำการวัดการเคลื่อนที่ของโลกในอีเทอร์ อีเทอร์ในที่นี้คือตัวกลางสมมุติ (Hyperthetial medium) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ในยุคนั้นเชื่อกันว่ามีจริง และเป็นตัวกลางของการเคลื่อนที่ของแสงในสุญญากาศ เรื่องเกี่ยวกับอีเทอร์นี้หาอ่านได้ในหนังสือฟิสิกส์เรื่องเกี่ยวกับจุดเริ่มต้นของทฤษฎีสัมพันธภาพพิเศษและการวัดความเร็วของแสง แต่ในที่นี้เราจะจำกัดวงอยู่แค่ Interferomter ที่ใช้กับเครื่อง FT-IR เท่านั้น

Interferometer ประกอบด้วยชิ้นส่วนสำคัญต่าง ๆ ดังต่อไปนี้

1. แหล่งกำเนิดแสง (Light source) สำหรับเครื่อง FT-IR คือแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรด

2. กระจกแบ่งแสง (Beam splitter) เป็นกระจกที่ยอมให้แสงผ่านได้ส่วนหนึ่งและสะท้อนได้ส่วนหนึ่ง

3. กระจกอยู่กับที่ (Fixed mirror) เป็นกระจกสะท้อนแสงที่ตรึงอยู่กับที่

4. กระจกเคลื่อนที่ (Moving mirror) เป็นกระจกสะท้อนแสงที่เคลื่อนที่กลับไป-มา โดยกระจกเคลื่อนที่นี้จะวางในทิศทางตั้งฉากกับกระจกอยู่กับที่

5. ตัวรับแสง (Detector) เป็นตรวจวัดความเข้มของแสง

6. เลเซอร์ (Laser) ใช้สำหรับวัดตำแหน่งของกระจกเคลื่อนที่ในระหว่างการวิเคราะห์

ตัวอย่างการจัดวางชิ้นส่วนต่าง ๆ ของ Interferometer แสดงไว้ในรูปที่ 1 ข้างล่าง

รูปที่ 1 ตัวอย่างการจัดวางชิ้นส่วนต่าง ๆ ของ Interferometer (ในที่นี้ไม่ได้แสดงแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์)

ในการทำงานนั้น แสงที่ส่องออกมาจากแหล่งกำเนิดแสง (สีน้ำเงิน) จะถูกส่องไปยังกระจกแบ่งแสง แสงที่มากระทบกระจกแบ่งแสงจะถูกแบ่งออกเป็น 2 ส่วน (ดูรูปที่ 1 ประกอบ) แสงส่วนแรก (เส้นทึบสีแดง) จะสะท้อนหักลงล่างมุ่งไปยังกระจกอยู่กับที่ (เส้นทึบสีแดง) และจะสะท้อนกลับไปยังกระจกแบ่งแสง (เส้นประสีแดง) มุ่งผ่านกระจกแบ่งแสงไปยังตัวตรวจวัด แสงส่วนที่สอง (เส้นทึบสีเขียว) จะวิ่งทะลุกระจกแบ่งแสงมุ่งตรงไปยังกระจกเคลื่อนที่ และจะสะท้อนกลับไปยังกระจกแบ่งแสง (เส้นประสีเขียว) และสะท้อนอีกครั้งไปยังตัวตรวจวัด

ทีนี้สมมุติว่าเราใช้แสงที่มีความยาวคลื่น 1 หน่วย และกระจกอยู่กับที่กับกระจกเคลื่อนที่ได้ต่างอยู่ห่างจากกระจกแบ่งแสงเป็นระยะทางเท่ากันคือ 10 หน่วย แสงเส้นสีน้ำเงินเมื่อมาถึงกระจกแบ่งแสงจะถูกแบ่งครึ่งออกเป็น 2 ส่วน ส่วนที่วิ่งไปยังกระจกอยู่กับที่และสะท้อนกลับมายังกระจกแบ่งแสงใหม่จะเคลื่อนที่เป็นระยะทาง 20 หน่วย (ไป-กลับ) หรือถ้าคิดเป็นจำนวนลูกคลื่นก็คือจำนวน 20 ลูกคลื่นพอดี แสงส่วนที่วิ่งไปยังกระจกเคลื่อนที่และสะท้อนกลับมายังกระจกแบ่งแสงใหม่ก็จะเคลื่อนที่เป็นระยะทาง 20 หน่วย (ไป-กลับ) หรือถ้าคิดเป็นจำนวนลูกคลื่นก็คือจำนวน 20 ลูกคลื่นพอดีเช่นเดียวกัน ดังนั้นเมื่อแสงทั้งสองส่วนกลับมารวมกันใหม่ก็จะมีเฟสที่ตรงกันพอดี ความเข้มของแสงที่ตัวตรวจวัดวัดได้ (สมมุติว่าไม่เกิดการสูญเสียจากการดูดซับหรือกระเจิง) ก็ควรจะต้องเท่ากับความเข้มของแสงที่ส่องออกมาจากแหล่งกำเนิด (แสงเส้นสีน้ำเงิน)

ต่อไปถ้าเราให้กระจกเคลื่อนที่เคลื่อนที่เข้าหา (หรือออกจาก) กระจกแบ่งแสงเป็นระยะทาง 0.05 หน่วย (หรือ 0.1λ เมื่อคือความยาวคลื่นแสง) ระยะทางที่แสงส่วนที่วิ่งไปยังกระจกเคลื่อนที่และสะท้อนกลับมายังกระจกแบ่งแสงใหม่จะเป็น 19.8 หน่วย ดังนั้นเมื่อแสงส่วนที่วิ่งไปยังกระจกอยู่กับที่และกระจกแบ่งแสงกลับมารวมกันใหม่จะมีความต่างเฟสกันอยู่ ทำให้เห็นความเข้มของแสงลดลง และถ้ากระจกเคลื่อนที่เคลื่อนเข้าหากระจกแบ่งแสงจนได้ระยะทาง 0.25 หน่วย (หรือ λ/4) ระะยะทางที่แสงส่วนที่วิ่งไปยังกระจกเคลื่อนที่และสะท้อนกลับมายังกระจกแบ่งแสงใหม่จะเป็น 19.5 หน่วย (หรือคิดเป็นจำนวนลูกคลื่นคือ 19.5 ลูกคลื่น) แสงส่วนที่วิ่งไปยังกระจกอยู่กับที่และกระจกแบ่งแสงเมื่อกลับมารวมกันจะมีเฟสแตกต่างกันอยู่ 180 องศา ทำให้หักล้างกันพอดี และจะทำให้เราเห็นความเข้มของแสงลดลงต่ำสุด กล่าวอีกนัยหนึ่งคือถ้าเราใช้แสงที่มีความถี่เดียว เมื่อไรก็ตามที่เราทำการเคลื่อนที่กระจกเคลื่อนที่จากตำแหน่งที่เห็นแสงที่มารวมกันมีความสว่างมากที่สุด จนถึงตำแหน่งที่เห็นแสงที่มารวมกันมีความสว่างน้อยที่สุด นั่นแสดงว่าเราได้เคลื่อนที่กระจกเคลื่อนที่ไปเป็นระยะทาง λ/4 แล้ว (ดูรูปที่ 2 ประกอบ)


รูปที่ 2 (ซ้าย) ภาพแสดงการรวมกันของคลื่นแสงที่มีเฟสตรงกันพอดี และ (ขวา) ภาพแสดงการรวมกันของคลื่นแสงที่มีเฟสต่างกัน 180 องศา (ภาพจาก http://en.wikipedia.org/wiki/Interferogram

ในทางปฏิบัตินั้นแหล่งกำเนิดแสงที่เราใช้ไม่ได้มีแสงเพียงความยาวคลื่น (หรือความถี่) เดียว ดังนั้นความเข้มของแสงที่ตัวตรวจวัดวัดได้จึงเป็นผลรวมที่เกิดจากแสงทุกความยาวคลื่น ผลการวัดที่ได้เรียกว่า Interferogram ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ 3


รูปที่ 3 ตัวอย่างInterferogram (ภาพจากhttp://www.newport.com/Introduction-to-FT-IR-Spectroscopy)

ในทางคณิตศาสตร์นั้น ถ้าเรามีสมการ sine wave ที่มีความถี่และแอมพลิจูดแตกต่างกันอยู่หลายสมการ แล้วอยากทราบว่าถ้านำเรา sine wave เหล่านั้นมารวมกัน คลื่นผลลัพท์ที่ได้จะเป็นอย่างไร เราก็ทำเพียงแค่เอาสมการเหล่านั้นมาบวกเข้าด้วยกัน ในทางกลับกันนั้นถ้าเรามีรูปคลื่นที่เป็นผลรวมของ sine wave ที่มีความถี่และแอมพลิจูดแตกต่างกันแล้วอยากทราบว่าลูกคลื่นนั้นประกอบด้วยคลื่น sine wave ที่มีความถี่และแอมพลิจูดเท่าใดบ้าง เราก็สามารถทำได้โดยใช้เทคนิคที่เกี่ยวข้องกับเรื่องของ Fourier Transform

แม้ว่าจะมีทฤษฎีทางคณิตศาสตร์รองรับอยู่ แต่การหาว่าคลื่นผลรวมนั้นประกอบด้วยคลื่น sine wave ที่มีความถี่และแอมพลิจูดเท่าใดบ้างเป็นก็จัดได้ว่ากระบวนการทางคณิตศาสตร์ที่ยุ่งยาก การวัดการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดในยุคแรก ๆ จึงเป็นการใช้อุปกรณ์ชนิด dispersive (วัดการดูดกลืนที่ละความยาวคลื่น) เป็นหลัก อุปกรณ์ชนิด dispersive ใช้หลักการส่องแสงที่ละความยาวคลื่นผ่านตัวอย่าง และวัดการดูดกลืน (หรือส่องแสงทุกความยาวคลื่นผ่านตัวอย่าง แล้วเลือกวัดการดูดกลืนที่ละความยาวคลื่น) ซึ่งในปัจจุบันเทคนิคนี้ก็ยังคงใช้กันอยู่กับแสงในช่วงอัลตร้าไวโอเล็ตและในช่วงที่สายตามองเห็น (UV-Vis) แต่จากการพัฒนาไมโครคอมพิวเตอร์ (ใช้ในการประมวลผล) และแหล่งกำเนิดเลเซอร์ (ที่ใช้วัดระยะ) ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นแต่ราคาถูกลง ทำให้อุปกรณ์ที่ใช้เทคนิคการวัดด้วย Interferometer ในช่วงแสงอินฟราเรดมีราคาถูกลงจนในปัจจุบันอาจเรียกได้ว่าได้เข้ามาแทนที่อุปกรณ์ชนิด dispersive อย่างสมบูรณ์

ไม่มีความคิดเห็น: