Вернье-спектроскопия - Vernier spectroscopy - Wikipedia

Вернье-спектроскопия это тип лазера с усиленным резонатором абсорбционная спектроскопия это особенно чувствительно к следовым газам. В методе используется частотная гребенка лазер в сочетании с высокой точностью^[1] оптический резонатор для получения спектра поглощения очень параллельным образом. Этот метод также позволяет обнаруживать следовые газы в очень низкой концентрации из-за эффекта усиления оптического резонатора на эффективную длину оптического пути.^[2]

Обзор метода

Для понимания принципа действия вернье-спектроскопии необходимо понимание частотная гребенка лазеры. Осциллирующее электрическое поле лазера (или любой сигнал, зависящий от времени) может быть представлен суммой синусоидальных сигналов в частотной области с использованием Ряд Фурье. Осциллирующее электрическое поле когерентного лазера непрерывного излучения (непрерывного излучения) представлено в виде одного узкого пика в представлении частотной области. Если лазер амплитудно-модулированный для создания стабильной серии очень коротких импульсов (обычно с помощью синхронизации мод) эквивалентное представление в частотной области представляет собой серию узких частотных пиков, сосредоточенных вокруг исходной непрерывной частоты лазера. Эти частотные пики разделены частотой импульсов во временной области. Это называется частотой повторения частотной гребенки.

Поскольку чувствительность абсорбционной спектроскопии зависит от длины пути света в исследуемом образце, спектроскопия с усилением резонатора достигает высокой чувствительности за счет создания нескольких проходов через образец, эффективно увеличивая длину пути. Вернье-спектроскопия использует резонатор высокой точности для получения большого улучшения. Высококачественный оптический резонатор также будет создавать условия резкого резонанса, когда только свет, который попадает в него с частотами, совпадающими с гармоникой свободного спектрального диапазона резонатора, будет создавать конструктивную интерференцию и заметный выход резонатора.

Будет только заметный выход из оптический резонатор когда пик частоты от лазера с гребенчатой ​​решеткой совпадает с гармоникой свободный спектральный диапазон полости. В вернье-спектроскопии отношение частоты повторения частотной гребенки к свободному спектральному диапазону резонатора составляет N / (N-1), где N - целое число, так что только каждый N пик частотной гребенки будет удовлетворять резонансном состоянии оптического резонатора и распространяться через него и образец. Это выбрано так, чтобы два набора резонансов образовали Шкала Вернье, дав название технике. Это важно, потому что типичная частота повторения частотной гребенки порядка радиочастот, что затрудняет задачу разрешения и обнаружения отдельных частотных компонентов. Если N сделать большим, то частотное разделение выходных пиков резонатора будет достаточно большим, чтобы его можно было разрешить простым решетчатый спектрометр. Если немного изменить длину резонатора, обычно с помощью пьезоэлектрического привода, то свободный спектральный диапазон полости также изменится. Этот изменяющийся FSR создает новый набор резонансов с частотной гребенкой по мере прохождения сканирования, эффективно сканируя наборы «отфильтрованных» пиков частотной гребенки.

Отдельные частотные компоненты проходящего света пространственно разделяются с помощью простого спектрометра, обычно дифракционной решетки. Для достижения высокопараллельного измерения отдельных частотных составляющих, передаваемых через образец и из резонатора, CCD используется камера, способная работать в спектральном диапазоне лазерного излучения. В случае дифракционной решетки частотные составляющие разделяются в одном пространственном направлении и фокусируются в камеру CCD. Чтобы воспользоваться преимуществом другого пространственного направления ПЗС-матрицы, свет сканируется в перпендикулярном направлении ПЗС-матрицы одновременно со сканированием длины полости с помощью исполнительного механизма. Это создает сетку пиков на ПЗС-изображении, соответствующую условию согласования мод между частотной гребенкой и оптическим резонатором.

Пример аппарата

Возможная установка вернье-спектрометра. Синхронизированы три действия: сканирование длины оптического резонатора, вращение зеркала в поле зрения ПЗС и время экспозиции ПЗС. PZT - это пьезоэлектрический привод что может немного изменить длину полости. Зеркало вращается с помощью шаговый двигатель. В оптический резонатор состоит из двух зеркал с высокой отражающей способностью (хотя и допускает частичное пропускание), что дает большой эффект увеличения длины оптического пути.

Простая реализация установки для вернье-спектроскопии состоит из пяти основных компонентов: частотной гребенки, сканируемого оптического резонатора высокой четкости, дифракционной решетки, вращающегося зеркала и CCD-камеры. Следы газа, которые необходимо измерить, помещают между зеркалами оптического резонатора для улучшения оптического пути. Гребенка частот соединена с резонатором и создана для формирования вернье-коэффициента с функцией отклика. Выходной сигнал резонатора отражается от дифракционной решетки, обеспечивая угловое разделение частотных составляющих пучка. Затем дифрагированный луч отражается от вращающегося зеркала и затем фокусируется на камеру CCD. Тогда три вещи должны произойти синхронно. Оптический резонатор сканирует свободный спектральный диапазон резонатора, а вращающееся зеркало одновременно сканирует направление, перпендикулярное плоскости дифракции дифракционной решетки. Эти два действия могут быть синхронизированы с помощью периодического линейного изменения напряжения, которое управляет сканированием резонатора (выполняется пьезоэлектрическим приводом) и вращением зеркала (управляется шаговым двигателем). Если время экспозиции камеры CCD также установлено равным периоду линейного изменения напряжения, результирующее изображение CCD представляет собой двумерную матрицу приблизительно гауссовых пиков. Таким образом, в период нарастания напряжения создается весь спектр. Время, необходимое для получения спектра, ограничено временем сканирования резонатора, откликом вращающегося зеркала и минимальным временем экспозиции камеры. Эта конкретная схема вернье-спектроскопии позволяет получить спектр поглощения газовых примесей (<1 ppmV) с десятками тысяч точек данных менее чем за секунду.^[2]

Изображение собрано CCD камера. Красная стрелка показывает возрастающую частоту с шагом частотная гребенка частота повторения. Каждое местоположение пятна соответствует определенной частоте, а интенсивность пятна соответствует передаче этой частоты через тестовый образец. Дополнительная информация о фазовом сдвиге света через образец может быть получена из формы пятна. Это изображение будет соответствовать Коэффициент Вернье из 10/9

Вернье-спектроскопия создает на ПЗС-изображении своего рода двумерный спектральный узор, матрицу приблизительно гауссовых пиков. Интегрированная интенсивность каждого гауссова пика дает интенсивность, прошедшую через испытательный газ, а положение пика также дает информацию об относительной частоте пика. Дополнительную информацию о фазовом сдвиге света, пропущенного тестовым газом, можно извлечь из формы отдельных пиков, присутствующих на изображении. Хотя вся спектральная информация содержится в изображениях, созданных ПЗС, требуется некоторая обработка изображения, чтобы преобразовать изображение ПЗС в традиционный одномерный спектр.^[3]

Рекомендации

1. Пашотта, Р. (октябрь 2008 г.). Энциклопедия лазерной физики и техники (1-е изд.). «Статья об изяществе»: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-40828-3.
2. Чжу, Фэн; Границы, Джеймс; Бисер, Айсенур; Штрохабер, Джеймс; Коломенский, Александр А .; и другие. (2014-09-15). «Гребенчатый нониусный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона для широкополосного обнаружения следов газа». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 22 (19): 23026-23033. Дои:10.1364 / oe.22.023026. ISSN  1094-4087.
3. Голе, Кристоф; Штейн, Бьёрн; Шлиссер, Альберт; Удем, Томас; Хэнш, Теодор В. (2007-12-28). «Вернье-спектроскопия с частотной гребенкой для широкополосных спектров поглощения и дисперсии с высоким разрешением и высокой чувствительностью». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 99 (26): 263902. arXiv:0706.1582. Дои:10.1103 / Physrevlett.99.263902. ISSN  0031-9007.