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hyperfine光谱仪的原理及应用

   

    光谱仪是一种光学仪器,设计用于将光分成不同的颜色或波长。因此,引入光谱仪的白光将在光谱仪的出口处分离成红色,绿色,黄色和蓝色光。

 

    在光谱仪内部,可以使用各种光学元件来分离波长。组件的选择主要取决于所需的分辨率r。玻璃棱镜有时用于低分辨率(r <1000)仪器,但现代光谱仪中最常用的光学元件是衍射光栅2。

 

    衍射光栅用于透射或反射,并且通常提供1000至100,000范围内的分辨能力。然而,要在更高分辨率下使用衍射光栅,需要使用越来越大的光栅。

 

    为了照亮大型衍射光栅,需要具有大直径和长焦距(大光圈3)的光学器件以使像差最小化。由于成像考虑,还需要大的入射焦距(连同窄缝)以实现高分辨率。

 

    因此,r> 50,000的衍射光栅仪器通常很昂贵(> 50,000美元)和大(长度> 1米)。对于高分辨率光谱仪,法布里 - 珀罗(fp)标准具提供了一种紧凑且经济的方法来分离紧密间隔的波长。图1解释了f-p干涉仪4的原理。图1:f-p干涉仪的工作原理,条件是干涉图案的传输最大值5。

 

 

图1

 

 

     注意,特定波长的最大透射率的条件是标准具板之间的往返必须恰好是整数(m)的波长。当标准具的照明源提供一系列入射角时,在透镜的焦点处形成圆形条纹。

 

    如果板间距d为0.25 mm,那么在500 nm处往返等于1,000λ,并且很容易证明使用具有0.25 mm板的高质量标准具可以达到r~50,000使用足够反射的涂层分离。

 

    虽然具有圆形条纹的f-p标准具提供高分辨率,但它们具有两个显着的缺点。首先,只有一小部分入射波长通过标准具传输;大部分入射光被反射并丢失到测量系统。通常,入射在f-p标准具上的光的> 95%被浪费掉。

 

    f-p标准具的第二个缺点是重叠顺序的问题。在上面的例子中,波长为500nm的光透过0.25mm标准具,因为在标准具中恰好有1000个波长适合往返。然而,波长为500.5nm的光也将通过标准具传输,这次在往返中恰好有999个波长。

 

    测量系统无法区分这两个波长,这两个波长称为重叠顺序(在这种情况下为#999和#1000)。一种特殊类型的标准具,称为vipa(虚拟成像相控阵),可与光栅结合使用,以克服法布里 - 珀罗标准具的两个缺点,同时仍保持其高分辨率。

 

    hyperfine系列光谱仪基于lightmachinery的vipa6技术。图2显示了vipa的操作原理。

 

图2

 

     图2:vipa的操作原理,由两个平行的反射表面组成(一个~100%反射,一个~95%反射)。圆柱形透镜用于通过r = 100%涂层中的抗反射涂层槽将光聚焦到vipa中。

 

     一旦光线聚焦到倾斜的vipa中,它只能向前退出——通过95%r表面(100%r表面不允许任何光线向后反射)。

 

    因此,原则上,vipa允许耦合到vipa中的所有入射光成像到测量系统中——这是相对于通常反射和浪费超过95%的入射光的传统f-p标准具的显著优点。在其他方面,vipa和f-p标准具的行为方式类似,如图3所示。

 

图3

 

    图3:由单一波长的光照射的fp-标准具和vipa的典型光图案。左边是由球面透镜的光锥照射的f-p标准具透射的光的图案。

 

    右侧是由相同光源照射并由柱面透镜聚焦的vipa透射的光图案。在许多方面,由vipa传输的光图案相当于由f-p标准具传输的光图案的薄“切片”。

 

     因此,基于vipa的光谱仪仍面临重叠订单的问题,如图4所示。

 

 

图4 

 

    图4:由vipa传输的三个相邻阶数作为入射光的波长以550.00nm至550.06nm的步长进行调谐。 请注意,vipa无法区分550.00 nm和550.06 nm的光。

 

     这两个波长的分离,0.06 nm或60 pm,被称为vipa的自由光谱范围(fsr),对应于厚度为1.68 mm6的玻璃vipa。

    

    幸运的是,对于使用柱面透镜照射的vipa - 如图2所示,各种顺序和波长仅在垂直方向上分散(与f-p标准具不同,如图3所示)。

 

    因此,添加在水平方向上提供色散的交叉分散元件可以分离重叠顺序。水平方向上的分辨率仅需足以分离相邻的顺序。在hyperfine光谱仪中,交叉色散由反射式衍射光栅提供,如图5所示。

 

图5 

 

     图5:光学元件的原理图布局超精细光谱仪。 vipa分散了入射光在垂直方向,提供高分辨率,但也重叠订单。光栅分隔水平方向中的重叠顺序方向。

 

    vipa和光栅提供分散垂直和水平方向分别为a镜头可用于聚焦不同波长在cmos相机的表面上。镜头转换角度(垂直和水平)到位于cmos阵列上的位置镜头的焦点。 图6显示了交叉分散的相机看到的光谱。

 

图6

 

 

    图6:预期显示的示意图交叉vipa和光栅时的cmos相机用宽带(“白色”)照亮。 在里面垂直方向,vipa提供高分辨率,但仅适用于一个fsr的范围。 在水平方向,光栅将重叠的顺序分开以允许整个高分辨率光谱被“打开”。

 

    从而,垂直条纹由一个fsr隔开水平方向。在图表中,红色表示更长波长; 蓝色较短的波长。一个典型的屏幕从相机拍摄的照片显示在右侧。 只有一小部分示出了全cmos传感器的一部分,覆盖vipa的fsr水平,垂直0.5fsr。

 

     lightmachinery hyperfine光谱仪结合高分辨率(由vipa提供)具有扩展的测量范围(由光栅),并利用现代百万像素相机阵列与定制软件一起使用提供前所未有的性能尺寸和成本适中的光谱仪。

 

    使用hyperfine光谱仪记录和校准光谱每个hyperfine光谱仪都附带定制软件,允许用户对光谱的显示,记录和校准进行广泛的控制。

 

    在最基本的级别,用户可以访问来自cmos传感器的原始输出,并可以编写自己的软件来分析特定的光谱记录。 图7显示了宽带光和a的原始传感器显示的示例单色光源。

 

 

 

    图7

 

     图7:使用宽带光(上部)和窄线宽度单色激光(下部)照射hyperfine光谱仪时的典型cmos传感器显示。可以通过“展开”标记为框的区域中的信息来提取全谱。图7(上图)仅与图6相同略微缩小。在水平方向上,光的“条纹”被一个fsr分开vipa。 图7(下图)显示3个单独的强烈垂直方向的光点。

 

    每个点代表一个单独的vipa订单,但每个点都是由完全相同波长的光形成单色激光的波长。从而,通常有冗余的光谱信息垂直方向作为光谱特征重复在每个谱顺序中。完整的光谱可以通过“展开”信息提取包含在传感器区域中图7中的框hyperfine软件采用来自图7和图7的图像信息校准两个中的整个cmos传感器水平和垂直方向以单位为单位vipa fsr。

 

 

    然后软件确定范围“有用的”像素,以及要使用的“展开”过程。原则上,如果用于记录图7的激光波长(下部)和精确的fsr vipa是众所周知的,“未包装”的频谱可以以绝对波长校准。

 

 

    但是,在一般来说,输入第二个已知的更准确波长进入hyperfine光谱仪,并进行使用两个已知波长的位置校准整个光谱。 超精细软件可以使用任何一种方法,从而产生一个校准到超过5pm的光谱整个波长范围。

 

 

     阳光是演示的理想光源,hyperfine光谱仪的性能。阳光是原始的“白光”源,是价格便宜,并提供强烈的黑体从紫外线到红外线的辐射。

 

    超过40,000离散吸收线(fraunhofer线)是叠加在黑体背景上,和其中几条线的线宽小于晚上10点13分。 弗劳恩霍夫线分布整个波长范围从270 nm到1600纳米,光谱位置广阔大多数线都是准确知道的。 图8显示两个分散的原始cmos图像hyperfine光谱仪中的阳光。

 

 

图8

 

 

     图8:使用a拍摄的太阳光的cmos传感器图像hyperfine光谱仪。(上图覆盖了区域从527到547nm,而下图则覆盖从532到541 nm开始的较小光谱区域。多黑暗区域 - 每个区域代表一个弗劳恩霍夫吸收线 - 中断白光背景阳光。

 

     每个图像中的红色框表示一个vipa fsr在垂直方向。图像是过度曝光(即高度饱和)增加能见度。hyperfine软件拍摄这些图像,展开光谱,校准波长缩放并产生如下所示的输出图9。

 

图9

 

 

     图9:上面的迹线显示了输出hyperfine软件一旦分析了图像等如图8所示。红色标签是离子标签负责个体吸收线的物种太阳能背景,并添加标签一次将超精细光谱与来自的光谱进行比较文献。

 

 

    图8和图9说明了该图的性能hyperfine光谱仪用它照亮时宽带光,包含许多光谱特征。在另一个极端,许多应用涉及到几乎是光源的调查单色,但要求极高分辨率(布里渊和拉曼光谱,二极管激光模式的测量等)。

 

    演示hyperfine的性能光谱仪用这种类型的光源,输入用hyperfine光谱仪照射绿色he-ne激光器的输出。这个激光工作在544nm附近,线宽窄增益媒介预计将支持两到三个纵向模式,间距仅为0.5 pm(对应于30厘米长的激光)。图10显示提取的光谱。

 

 

 

图10

 

 

 来源:lightmachinery新宝5手机app官网