diff --git a/blog/content/colorimetry/spectrometer-fiber-optics/index.lt.md b/blog/content/colorimetry/spectrometer-fiber-optics/index.lt.md new file mode 100644 index 0000000..f3b6464 --- /dev/null +++ b/blog/content/colorimetry/spectrometer-fiber-optics/index.lt.md @@ -0,0 +1,180 @@ +--- +title: "Spektrometro Tęsinys — Optiniai Pluoštai, Spindulių Skirstytuvai ir TOSLINK Fluorescencijos Problema" +date: 2026-07-13 +description: "Spektrometro renginyje atsirado optinio pluošto priekinis galas. 50 µm prieš 300 µm pluoštai, spindulių skirstytuvo kubeliai prieš pluošto skirstytuvus atgaliniam sklaidymui, 405 nm ir 535 nm lazeriai Raman ir fluorescencijos eksperimentams, ir kodėl Windows 10 bitų vaizdo įrašas šiam laikui nužudė Raman darbą." +draft: true +toc: true +categories: + - Mokslo prietaisai + - Aparatinė įranga +tags: + - spektrometras + - optinis-pluoštas + - raman + - fluorescencija + - lazeris + - spektroskopija + - aparatinė-įranga + - raspberry-pi + - 405nm + - 535nm +--- + +Originalus spektrometras buvo Raspberry Pi konstrukcija su difrakcine gardele, OV9281 kamera ir TOSLINK plastikiniais optiniais pluoštais šviesos tiekimui. Jis pakankamai gerai veikė atspindžio ir pralaidumo matavimams. Planas visada buvo išplėsti jį atgalinio sklaidymo eksperimentams — Raman ir fluorescencijos spektroskopijai — kurie reikalauja visiškai kitokios optinės geometrijos. + +Tas plėtinys yra tai, apie ką šis straipsnis. Tai ankstyvojo eksperimentavimo etapo darbas. Nėra švarių rezultatų pristatyti. Turiu aprašymą, kas buvo pastatyta, kas buvo atmesta ir kur yra apribojimai. + +--- + +## Kas Pasikeitė: Atskiras Spektrometro Stendas + +Originalus rankinis prietaisas buvo vienos paskirties instrumentas. Nauja sąranka yra stendo renginia, sukurta aplink optinio pluošto kabelius — su FC jungtimis, jungiančiomis tikrą optinę įrangą. + + +*[TODO: Nuotrauka — stendo spektrometras su FC pluošto įvestimis]* + +Stendas priima standartinius FC/PC ir FC/APC jungtis, kas atveria visą komercinių optinio pluošto zondų, skirstytuvų ir sujungiklių, skirtų spektroskopijai, spektrą. Tai buvo teisingo architektūros sprendimas — kiekvieną kartą, kai pasikeičia zondo geometrija, statyti pasirinktinę jungtį yra lėčiau nei prijungti kitą pluoštą. + +--- + +## 50 µm prieš 300 µm Pluošto Eksperimentai + +Pirmasis klausimas buvo pluošto šerdies skersmuo. Spektroskopijos pluoštai paprastai patenka į dvi sritis: + +| Parametras | 50 µm šerdis | 300 µm šerdis | +|-----------|-------------|--------------| +| Skaitinis apertūros | 0,22 tipiškai | 0,22–0,37 tipiškai | +| Šviesos surinkimas (esant lygiai NA) | Mažesnis | Didesnis | +| Jungimo efektyvumas į spektrometro plyšį | Geresnis (glaudesnis spindulys) | Sunkesnis (didelis išėjimo kūgis) | +| Lankstumas / tvarkymas | Trapesnis | Tvirtas | +| Pereikiga skirstytuve | Mažesnė | Didesnė | + +Spektrometro plyšio geometrijai, su kuria dirbu, 300 µm praktiškai teikė geresnę signalo srautą. Didesnė šerdis surenka daugiau šviesos iš difuzinės medžiagos, kas svarbiau nei jungimo efektyvumo nuostoliai plyšyje, kai pavyzdys yra silpnas. + +Išbandžiau 50 µm kabelius specialiai atgalinio sklaidymo geometrijai, kur buvo tikimasi, kad glaudus spindulys pagerina erdvinį selektyvumą. Signalas per 50 µm buvo per silpnas, kad per lazerio galias, kurias naudojau, be rizikos pažeisti mėginį, būtų gautos naudojamos Raman savybės. Apsistojau prie 300 µm. + +--- + +## Spindulių Skirstytuvo Kubelis prieš Pluošto Skirstytuvas Atgaliniam Sklaidymui + +Raman ir fluorescencijos atgalinis sklaidymas reikalauja, kad lazerio ir surinkimo keliai dalytų tą pačią ašį — apšvietite mėginį ir surenkate atgal sklaidytą šviesą einančią tuo pačiu optikos keliu. Tai padaryti su optiniais pluoštais yra du įprasti būdai. + +### Spindulių Skirstytuvo Kubelio Zondas + +Spindulių skirstytuvo kubelis sėdi zondo gale. Lazerio pluoštas ir surinkimo pluoštas abu jungiasi į kubelį. Kubelis siunčia 50% lazerio į mėginį ir 50% į surinkimo kelią (švaistomos), ir nukreipia 50% grįžtančio sklaidymo į surinkimo pluoštą ir 50% atgal į lazerį (taip pat švaistomos). + +``` +Lazerio pluoštas ──→ [SK kubelis] ──→ mėginys + ↕ +Surinkimo pluoštas ←── sklaidos šviesa +``` + +Pastatiau kelias spindulių skirstytuvo zondo geometrijas. Esminis problem: 50% nuostolis įvestyje ir 50% nuostolis surinkimo metu reiškia 25% efektyvumą geriausiu atveju — 75% signalo prarandama skirstytuve. Su Raman signalais, kurie ir taip yra 6–8 eilėmis silpnesni nei žadinimo lazeris, tai yra reikšminga bauda. + +Kubelis taip pat sukelia atspindžius ir klaidinamą šviesą — lazerio atgalinis atspindys nuo kubelio paviršių surinkimo pluoštą pasiekia kaip fono signalas, iš dalies persidengiantis su silpnomis Raman savybėmis. + + +*[TODO: Nuotrauka — spindulių skirstytuvo kubelio zondo surinkimas]* + +### Pluošto Skirstytuvas (2-in-1 jungtis) + +Alternatyva: vienas pluoštas, nešantis tiek žadinimo, tiek surinkimo kelius, atskirtas skirstytuvo sandūroje. Jungtis mėginio gale turi du pluoštus viename ferrule — vienas žadinimui, kitas surinkimui — išdėstyti arti vienas kito, kad dalintų apšvietimo tūrį. + +Tai metodas, prie kurio apsistojau po spindulių skirstytuvo eksperimentų. Pagrindiniai privalumai: + +- **Jokios laisvosios erdvės optikos** — jokių atspindžių, dulkių paviršių, justifikacijos +- **Geresnis jungimas** — visa šviesa yra pluošte, nuostoliai tik sujungimo nuostoliai +- **Mažesnė klaidinama šviesa** — žadinimo ir surinkimo pluoštai yra fiziškai atskirti ferrule viduje, mažinant atgalinio atspindžio problemą + +Trūkumas: erdvinis atstumas tarp žadinimo ir surinkimo pluoštų ferrule viduje reiškia, kad surinkimo tūris nėra tobulai koaksialus su žadinimo spinduliu. Masinės skysto mėginiams tai nesvarbu. Paviršiaus matavimams tai įveda šiek tiek geometrinio efektyvumo nuostolių. + + +*[TODO: Nuotrauka — pluošto skirstytuvas bifurkuotas zondas, dviejų pluoštų ferrule galas]* + +--- + +## Lazerio Konfigūracija: 405 nm ir 535 nm + +Naudojamos dvi lazerio linijos: + +| Lazeris | Bangos ilgis | Naudojimo atvejis | +|---------|------------|-------------------| +| 405 nm violetinis | UV/artimuoju UV | Raman žadinimas; UV aktyvių junginių fluorescencijos žadinimas | +| 535 nm žalias | Matomas | Raman žadinimas ilgesnio bangos ilgio; mažiau fluorescencijos fono | + +Žadinimo bangos ilgio pasirinkimas veikia Raman signalo stiprumą (Raman skerspjūvis masteliuojamas kaip ~1/λ⁴, teikiant pirmenybę trumpesniems bangos ilgiams) ir fluorescencijos foną (trumpesni bangos ilgiai žadina daugiau fluorescencijos, dažnai nustelbiančios Raman savybes). + +Praktiškai 405 nm teikė stipresnius Raman signalus ant neorganinių mėginių, bet buvo visiškai nustelbiamas fluorescencijos ant organinių mėginių. 535 nm davė švaresnius spektrus ant organikų, bet silpnesnius Raman signalus apskritai. + + +*[TODO: Nuotrauka — 405 nm lazerio jungimas į pluoštą su juostų filtru]* + +--- + +## TOSLINK Fluorescencijos Problema + +Originalus rankinis spektrometras naudojo TOSLINK plastikinį optinį pluoštą. TOSLINK yra pigus, lankstus ir lengvai nutraukiamas. Jis puikiai veikia regimojo spektro baltosios šviesos atspindžio ir pralaidumo matavimams. + +Jis visiškai netinka 405 nm UV žadinimui. + +TOSLINK plastikinis pluoštas (PMMA šerdis) stipriai fluorescuoja ties 405 nm apšvietimu. Fluorescencijos emisija apima platų diapazoną nuo maždaug 430 nm iki 550 nm — tiksliai ten, kur pasirodytų silpnos Raman savybės nuo daugelio dominančių junginių. Pats pluoštas tampa didžiausiu fono signalo šaltiniu. + +Tai buvo atrasta, kai pluošto skirstytuvo darbas jau veikė su silicio pluoštu. Grįžimas prie TOSLINK testavimo su 405 nm lazeriu tai iš karto patvirtino: vien pluošto fonas buvo panašaus intensyvumo kaip vidutiniškai stiprus fluorescencijos mėginys. + +**UV žadinimui: tik silicio pluoštas.** PMMA pluoštas yra atmestas bet kam žemiau maždaug 450 nm žadinimo. + +--- + +## Windows 10 Bitų Vaizdo Problema + +Spektrometro kamera yra OV9281 monochrominis slenkamo užrakto jutiklis. Jis gali išvesti 10 bitų — daugiau dinaminės diapazono, geresnė galimybė atskirti silpnas spektrines savybes nuo fono. + +Sistemoje Windows 10 bitų vaizdo kelias iš OV9281 nėra tinkamai atskleistas. Tvarkyklė pateikia 8 bitus arba konvertuoja iš 10 bitų į 8 bitus be tinkamo valdymo. Be to, ekspozicijos laiko valdymas yra labai ribotas — ekspozicijos prieaugiai yra grubus, kas apsunkina integracijos laiko nustatymą siekiant išvengti tiek lazerio linijos sodinimo, tiek silpnų Raman savybių nepakankamai paveikslų. + +Linux sistemoje V4L2 tvarkyklė atskleidžia visą 10 bitų išvestį ir tikslų ekspozicijos valdymą. Tai ne programinės įrangos problema, kurią galiu apeiti sistemoje Windows — tai tvarkyklės apribojimas. + +Praktinė pasekmė: Raman spektroskopijos eksperimentai su dabartine aparatine įranga reikalauja Linux. Darbo stotis veikia Windows. Tai reiškia, kad Raman darbas yra blokuotas kol: + +1. Rankinis prietaisas (Raspberry Pi pagrįstas, veikia Linux) bus atnaujintas su tinkamu optinio pluošto priekiniu galu pakeičiant TOSLINK jungimą +2. Linux mašina bus nustatyta specialiai stendo renginiui + +1 variantas yra planuojamas kelias. Rankinis prietaisas turi būti atstatytas su FC pluošto įvesties prievadu vietoj TOSLINK lizdo. Tai mechaniškai nėra sudėtinga, bet reikalauja kruopštaus pluošto į plyšį jungimo sulygiavimo spektrometro korpuse. + +--- + +## Programinės Įrangos Būklė + +Nepaisant to, kad aparatinė įranga yra ankstyvajame eksperimentiniame etape, programinė įranga žymiai išsivystė. Apdorojimo kanalas tvarko: + +- Bangos ilgio kalibravimą iš žinomų spektrinių linijų (neonas, gyvsidabris) +- Tamsiojo kadro atimtį ir plokščio lauko korekciją +- Slenkantis vidurkis triukšmo sumažinimui ant silpnų signalų +- Smailių aptikimą ir paprastą bibliotekos atitikimą prieš nedidelę etalonų duomenų bazę +- Fluorescencijos fono įvertinimą ir atimtį (polinominis bazinės linijos pritaikymas) + + +*[TODO: Programinės įrangos ekrano kopija — spektras su matoma fono atimtimi]* + +Fono atimtis yra dalis, kuri buvo labiausiai peržiūrėta. Polinominis bazinės linijos pritaikymas tinkamai veikia lygiam fluorescencijos fonui, bet nepavyksta, kai fonas turi struktūrą. Kitoje iteracijoje bus naudojamas asimetrinis mažiausių kvadratų (ALS) pritaikymas, kuris geriau tvarko struktūrizuotus fonus ir yra standartinis Raman išankstinio apdorojimo metodas. + +--- + +## Dabartinės Būklės Santrauka + +| Komponentas | Būsena | +|-------------|--------| +| 300 µm silicio pluošto skirstytuvas | Veikia — teikiamas pirmenybė prieš spindulių skirstytuvo kubelį | +| 50 µm pluošto eksperimentai | Atlikti — atmesti (per mažai signalo) | +| Spindulių skirstytuvo kubelio zondai | Pastatyti — atmesti (klaidinama šviesa, efektyvumo nuostoliai) | +| 405 nm lazeris + juostų filtras | Veikia | +| 535 nm lazeris + juostų filtras | Veikia | +| Ilgaję perėjimas / notch filtras surinkimui | Veikia | +| TOSLINK pluoštas UV | Atmesta — stipriai fluorescuoja ties 405 nm | +| Windows 10 bitų vaizdo įrašas | Blokuotas — tvarkyklės apribojimas | +| Rankinio prietaiso pluošto modernizavimas | Suplanuota — nepradėta | +| Raman spektro gavimas | Blokuotas laukiant Windows pataisymo arba Linux sąrankos | +| Fluorescencijos spektroskopija | Iš dalies veikia — švarūs spektrai ant kai kurių mėginių | + +Fluorescencijos spektroskopija teikia naudojamus duomenis ant kai kurių mėginių. Raman yra blokuotas dėl Windows vaizdo problemos. Pluošto skirstytuvo geometrija yra patvirtinta kaip tinkamas metodas atgaliniam sklaidymui. + +Atnaujinsiu, kai rankinis prietaisas gaus optinio pluošto priekinį galą. Tai yra kitas aparatinės įrangos etapas, kuris atblokuoja Raman eksperimentus. diff --git a/blog/content/colorimetry/spectrometer-fiber-optics/index.md b/blog/content/colorimetry/spectrometer-fiber-optics/index.md new file mode 100644 index 0000000..99fcf71 --- /dev/null +++ b/blog/content/colorimetry/spectrometer-fiber-optics/index.md @@ -0,0 +1,182 @@ +--- +title: "Spectrometer Followup — Fiber Optics, Beam Splitters, and the TOSLINK Fluorescence Problem" +date: 2026-07-13 +description: "The spectrometer rig grew a fiber optic front end. 50µm vs 300µm fibers, beam splitter cubes vs fiber splitters for backscattering, 405nm and 535nm lasers for Raman and fluorescence experiments, and why Windows 10-bit video killed the Raman work for now." +draft: true +toc: true +categories: + - Science Instruments + - Hardware +tags: + - spectrometer + - fiber-optics + - raman + - fluorescence + - laser + - spectroscopy + - hardware + - raspberry-pi + - 405nm + - 535nm +--- + +The original spectrometer was a Raspberry Pi build with a diffraction grating, OV9281 camera, and TOSLINK plastic optical fiber for light delivery. It worked well enough for reflectance and transmittance measurements. The plan was always to extend it toward backscattering experiments — Raman and fluorescence spectroscopy — which require a different optical geometry entirely. + +That extension is what this article is about. It is early-stage experimental work. I do not have clean results to present. What I have is a description of what was built, what got ruled out, and where the constraints are. + +--- + +## What Changed: A Dedicated Spectrometer Rig + +The original handheld device was a single-purpose instrument. The new setup is a bench rig designed around fiber optic cables — the kind with FC connectors that plug into actual optical equipment. + + +*[TODO: Photo — bench spectrometer rig with FC fiber inputs]* + +The rig accepts standard FC/PC and FC/APC connectors, which opens up the full range of commercial fiber optic probes, splitters, and couplers designed for spectroscopy. This was the right architectural decision — building custom coupling every time a probe geometry changes is slower than plugging in a different fiber. + +--- + +## 50µm vs 300µm Fiber Experiments + +The first question was fiber core diameter. Spectroscopy fibers generally fall into two regimes: + +| Parameter | 50 µm core | 300 µm core | +|-----------|-----------|-------------| +| Numerical aperture | 0.22 typical | 0.22–0.37 typical | +| Light collection (at equal NA) | Lower | Higher | +| Coupling efficiency into spectrometer slit | Better (tighter beam) | Harder (large exit cone) | +| Flexibility / handling | More fragile | Robust | +| Crosstalk in splitter | Lower | Higher | + +For the spectrometer slit geometry I'm working with, 300µm produced better signal throughput in practice. The larger core collects more light from a diffuse sample, which matters more than coupling efficiency losses at the slit when the sample is dim. + +I tested 50µm cables specifically for the backscattering geometry, where the tight beam was expected to improve spatial selectivity. The signal was too weak through 50µm to produce usable Raman features at the laser powers I was using without risking sample damage. I settled on 300µm. + +--- + +## Beam Splitter Cube vs Fiber Splitter for Backscattering + +Raman and fluorescence backscattering require the laser and collection paths to share the same axis — you illuminate the sample and collect the scattered light coming back along the same optical path. There are two common ways to do this with fiber optics. + +### Beam Splitter Cube Probe + +A beam splitter cube sits at the probe tip. The laser fiber and collection fiber both couple into the cube. The cube sends 50% of the laser to the sample and 50% to the collection path (wasted), and routes 50% of the returning scatter to the collection fiber and 50% back toward the laser (also wasted). + +``` +Laser fiber ──→ [BS cube] ──→ sample + ↕ +Collection fiber ←── scattered light +``` + +I built several beam splitter probe geometries. The fundamental problem: 50% loss at input and 50% loss at collection means 25% efficiency at best — 75% of the signal is lost in the splitter. With Raman signals that are already 6–8 orders of magnitude weaker than the excitation laser, this is a significant penalty. + +The cube also introduces reflections and stray light — the back-reflection of the laser at the cube surfaces appears in the collection fiber as a background signal that partially overlaps the weak Raman features. + + +*[TODO: Photo — beam splitter cube probe assembly]* + +### Fiber Splitter (2-in-1 Connector) + +The alternative: a single fiber that carries both the excitation and collection paths, separated at the splitter junction. The connector at the sample end has two fibers in a single ferrule — one for excitation, one for collection — positioned close together to share the illumination volume. + +This is the approach I settled on after the beam splitter experiments. The key advantages: + +- **No free-space optics** — no reflections, no dust surfaces, no alignment +- **Better coupling** — all light is in fiber, losses are only splice losses +- **Lower stray light** — the excitation and collection fibers are physically separated inside the ferrule, reducing the back-reflection problem + +The downside: spatial separation between excitation and collection fibers inside the ferrule means the collection volume is not perfectly coaxial with the excitation beam. For bulk liquid samples this does not matter. For surface measurements it introduces some geometric efficiency loss. + + +*[TODO: Photo — fiber splitter bifurcated probe, two-fiber ferrule end]* + +--- + +## Laser Configuration: 405nm and 535nm + +Two laser lines are in use: + +| Laser | Wavelength | Use case | +|-------|-----------|---------| +| 405 nm violet | UV/near-UV | Raman excitation; fluorescence excitation of UV-active compounds | +| 535 nm green | Visible | Raman excitation at longer wavelength; less fluorescence background | + +The choice of excitation wavelength affects Raman signal strength (Raman cross-section scales as ~1/λ⁴, favoring shorter wavelengths) and fluorescence background (shorter wavelengths excite more fluorescence, often overwhelming Raman features). + +In practice, 405nm produced stronger Raman signals on inorganic samples but was completely overwhelmed by fluorescence on organic samples. 535nm gave cleaner spectra on organics but weaker Raman signals overall. + +Both lasers require bandpass filters on the excitation path (to clean up laser line broadening) and notch or longpass filters on the collection path (to reject the excitation laser line while passing the Raman-shifted photons). + + +*[TODO: Photo — 405nm laser coupling into fiber with bandpass filter]* + +--- + +## The TOSLINK Fluorescence Problem + +The original handheld spectrometer used TOSLINK plastic optical fiber. TOSLINK is cheap, flexible, and easy to terminate. It works well for white light reflectance and transmittance measurements in the visible range. + +It is completely unsuitable for 405nm UV excitation. + +TOSLINK plastic fiber (PMMA core) fluoresces strongly under 405nm illumination. The fluorescence emission covers a broad band from about 430nm to 550nm — exactly where weak Raman features from many compounds of interest would appear. The fiber itself becomes the largest background signal source. + +This was discovered after the fiber splitter work was already running with silica fiber. Going back to test TOSLINK with the 405nm laser confirmed it immediately: the background from the fiber alone was comparable in intensity to a moderately strong fluorescence sample. + +**For UV excitation: silica fiber only.** PMMA fiber is ruled out for anything below about 450nm excitation. + +--- + +## The Windows 10-bit Video Problem + +The spectrometer camera is an OV9281 monochrome rolling shutter sensor. It is capable of 10-bit output — more dynamic range, better ability to distinguish weak spectral features against a background. + +On Windows, the 10-bit video path from the OV9281 is not exposed correctly. The driver delivers 8-bit or converts from 10-bit to 8-bit without adequate control. Additionally, exposure time control is extremely limited — the exposure increments are coarse, which makes it difficult to set the integration time to avoid both saturation of the laser line and underexposure of weak Raman features. + +On Linux, the V4L2 driver exposes the full 10-bit output and fine-grained exposure control. This is not a software problem I can work around on Windows — it's a driver limitation. + +The practical consequence: Raman spectroscopy experiments with the current hardware require Linux. The development workstation runs Windows. This means the Raman work is blocked until either: + +1. The handheld device (Raspberry Pi-based, runs Linux) is updated with a proper fiber optic front end replacing the TOSLINK coupling +2. A Linux machine is set up specifically for the bench rig + +Option 1 is the planned path. The handheld device needs to be rebuilt with an FC fiber input port rather than a TOSLINK socket. This is not mechanically complex but requires careful alignment of the fiber-to-slit coupling in the spectrometer housing. + +--- + +## Where the Software Is + +Despite the hardware being in an early experimental state, the software has evolved considerably. The processing pipeline handles: + +- Wavelength calibration from known spectral lines (neon, mercury) +- Dark frame subtraction and flat field correction +- Rolling average for noise reduction on weak signals +- Peak detection and simple library matching against a small reference database +- Fluorescence background estimation and subtraction (polynomial baseline fitting) + + +*[TODO: Software screenshot — spectrum with background subtraction visible]* + +The background subtraction is the part that has been most revised. Polynomial baseline fitting works adequately for smooth fluorescence backgrounds but fails when the background has structure. The next iteration will use asymmetric least squares (ALS) fitting, which handles structured backgrounds better and is the standard approach in Raman preprocessing. + +--- + +## Current State Summary + +| Component | Status | +|-----------|--------| +| 300µm silica fiber splitter | Working — preferred over beam splitter cube | +| 50µm fiber experiments | Completed — ruled out (too little signal) | +| Beam splitter cube probes | Built — ruled out (stray light, efficiency loss) | +| 405nm laser + bandpass filter | Working | +| 535nm laser + bandpass filter | Working | +| Longpass/notch filter on collection | Working | +| TOSLINK fiber for UV | Ruled out — fluoresces strongly at 405nm | +| Windows 10-bit video | Blocked — driver limitation | +| Handheld device fiber upgrade | Planned — not started | +| Raman spectrum acquisition | Blocked pending Windows fix or Linux setup | +| Fluorescence spectroscopy | Partially working — clean spectra on some samples | + +The fluorescence spectroscopy is producing usable data on some samples. Raman is blocked on the Windows video issue. The fiber splitter geometry is confirmed as the right approach for backscattering. + +I'll update this when the handheld device gets the fiber optic front end. That is the next hardware milestone that unblocks the Raman experiments.