Нониус-спектроскопия

Нониус-спектроскопия - это тип спектроскопии лазерного поглощения с усиленным резонатором , который особенно чувствителен к примесям газов. В этом методе используется гребенчатый лазер с высокой точностью. ^{[ 1 ]} оптический резонатор для получения спектра поглощения в высокой степени параллельности. Этот метод также позволяет обнаруживать примеси газов в очень низкой концентрации благодаря эффекту увеличения эффективной длины оптического пути оптического резонатора. ^{[ 2 ]}

Обзор метода

Понимание принципа работы нониус-спектроскопии требует понимания работы гребенчатых лазеров. Колеблющееся электрическое поле лазера (или любого сигнала, зависящего от времени) может быть представлено суммой синусоидальных сигналов в частотной области с использованием ряда Фурье . Колеблющееся электрическое поле когерентного лазера непрерывного действия (непрерывного действия) представляется в виде одного узкого пика в частотной области. Если лазер модулируется по амплитуде для создания стабильной последовательности очень коротких импульсов (обычно посредством 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 многократного прохождения через образец, что эффективно увеличивает длину пути. В нониус-спектроскопии используется тонкая полость для достижения значительного улучшения. Оптический резонатор высокой точности также создает состояние острого резонанса, при котором только поступающий в него свет с частотами, совпадающими с гармоникой свободного спектрального диапазона резонатора, будет создавать конструктивную интерференцию и заметный выход резонатора.

будет только Заметный выходной сигнал оптического резонатора тогда, когда пик частоты гребенчатого лазера совпадает с гармоникой свободного спектрального диапазона резонатора. В нониусной спектроскопии отношение частоты повторения гребенки частот к свободному спектральному диапазону резонатора равно N/(N-1), где N — целое число, так что только каждый N пик гребенки частот будет удовлетворять условию резонансное состояние оптического резонатора и распространяться через него и образец. Это выбрано таким образом, чтобы два набора резонансов образовывали шкалу нониуса , дающую название технике. Это важно, поскольку типичная частота повторения гребенки частот порядка радиочастот, что затрудняет задачу разрешения и обнаружения отдельных частотных составляющих. Если N сделать большим, то частотное разделение пиков выходного сигнала резонатора будет достаточно большим, чтобы его можно было разрешить с помощью простого решеточного спектрометра . Если длину резонатора изменить незначительно, обычно с помощью пьезоэлектрического привода, то Изменится также свободный спектральный диапазон резонатора. Этот изменяющийся FSR создает новый набор резонансов с частотной гребенкой по мере продолжения сканирования, эффективно сканируя наборы «отфильтрованных» пиков частотной гребенки.

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

Пример устройства

Возможная установка нониус-спектрометра. Синхронизированы три действия: сканирование длины оптического резонатора, вращение зеркала в поле зрения ПЗС и время экспозиции ПЗС. PZT — это пьезоэлектрический актуатор , который позволяет слегка регулировать длину полости. Зеркало вращается с помощью шагового двигателя . Оптический резонатор состоит из двух зеркал с высокой отражающей способностью (хотя и допускающих частичное пропускание), что обеспечивает значительный эффект увеличения длины оптического пути.

Простая реализация установки нониусной спектроскопии состоит из пяти основных компонентов: частотной гребенки, сканируемого оптического резонатора высокой точности, дифракционной решетки, вращающегося зеркала и ПЗС-камеры. Измеряемый газ помещается между зеркалами оптического резонатора, чтобы обеспечить улучшение оптического пути. Частотная гребенка соединена с резонатором и предназначена для формирования коэффициента нониуса с функцией отклика. Выходной сигнал резонатора отражается от дифракционной решетки, обеспечивая угловое разделение частотных составляющих луча. Дифрагированный луч затем отражается от вращающегося зеркала и фокусируется на ПЗС-камере. Тогда три вещи должны произойти синхронно. Оптический резонатор сканирует свободный спектральный диапазон резонатора, в то время как вращающееся зеркало одновременно сканирует направление, перпендикулярное дифракционной плоскости дифракционной решетки. Эти два действия можно синхронизировать с помощью периодического линейного напряжения, которое управляет как сканированием резонатора (осуществляемым пьезоэлектрическим приводом), так и вращением зеркала (управляемым шаговым двигателем). Если время экспозиции ПЗС-камеры также установлено равным периоду линейного напряжения, результирующее ПЗС-изображение представляет собой двумерную матрицу приблизительно гауссовских пиков. Таким образом, в период линейного напряжения создается весь спектр. Время, необходимое для получения спектра, ограничено временем сканирования резонатора, откликом вращающегося зеркала и минимальным временем экспозиции камеры. Эта конкретная схема нониусной спектроскопии способна создавать спектр поглощения примесей газа (<1 ppmV) с десятками тысяч точек данных менее чем за секунду. ^{[ 2 ]}

Изображение получено камерой CCD . Красная стрелка показывает увеличение частоты с шагом частоты повторения гребенки частот . Каждое местоположение пятна соответствует определенной частоте, а интенсивность пятна соответствует передаче этой частоты через исследуемый образец. Дополнительную информацию о фазовом сдвиге света, проходящего через образец, можно получить по форме пятна. Это изображение будет соответствовать соотношению нониуса 10/9.

Нониус-спектроскопия создает на ПЗС-изображении своего рода двумерную спектральную картину, представляющую собой матрицу приблизительно гауссовых пиков. Интегральная интенсивность каждого гауссова пика дает интенсивность, прошедшую через тестовый газ, а положение пика также дает информацию об относительной частоте пика. Дополнительную информацию о фазовом сдвиге света, передаваемого эталонным газом, можно получить из формы отдельных пиков, присутствующих на изображении. Хотя вся спектральная информация содержится в изображениях, создаваемых ПЗС, требуется некоторый объем обработки изображения для преобразования изображения ПЗС в традиционный одномерный спектр. ^{[ 3 ]}

Ссылки

^ Пашотта, Р. (октябрь 2008 г.). Энциклопедия лазерной физики и техники (1-е изд.). Статья о тонкостях: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40828-3 .
^ Jump up to: ^а ^б Чжу, Фэн; Баундс, Джеймс; Бичер, Айсенур; Строхабер, Джеймс; Коломенский, Александр А.; и др. (15 сентября 2014 г.). «Гребенчатый спектрометр ближнего инфракрасного диапазона для широкополосного обнаружения газовых примесей» . Оптика Экспресс . 22 (19). Оптическое общество: 23026–23033. arXiv : 1407.1075 . Бибкод : 2014OExpr..2223026Z . дои : 10.1364/oe.22.023026 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 25321773 .
^ Голе, Кристоф; Штейн, Бьёрн; Шлиссер, Альберт; Удем, Томас; Хэнш, Теодор В. (28 декабря 2007 г.). «Частотно-гребенчатая нониус-спектроскопия для широкополосных спектров поглощения и дисперсии высокого разрешения и высокой чувствительности». Письма о физических отзывах . 99 (26). Американское физическое общество (APS): 263902. arXiv : 0706.1582 . Бибкод : 2007PhRvL..99z3902G . дои : 10.1103/physrevlett.99.263902 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 18233578 .

[1] Пашотта, Р. (октябрь 2008 г.). Энциклопедия лазерной физики и техники (1-е изд.). Статья о тонкостях: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40828-3 .

[Zhu_Paper-2] Jump up to: ^а ^б Чжу, Фэн; Баундс, Джеймс; Бичер, Айсенур; Строхабер, Джеймс; Коломенский, Александр А.; и др. (15 сентября 2014 г.). «Гребенчатый спектрометр ближнего инфракрасного диапазона для широкополосного обнаружения газовых примесей» . Оптика Экспресс . 22 (19). Оптическое общество: 23026–23033. arXiv : 1407.1075 . Бибкод : 2014OExpr..2223026Z . дои : 10.1364/oe.22.023026 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 25321773 .

[Gohle_Paper-3] Голе, Кристоф; Штейн, Бьёрн; Шлиссер, Альберт; Удем, Томас; Хэнш, Теодор В. (28 декабря 2007 г.). «Частотно-гребенчатая нониус-спектроскопия для широкополосных спектров поглощения и дисперсии высокого разрешения и высокой чувствительности». Письма о физических отзывах . 99 (26). Американское физическое общество (APS): 263902. arXiv : 0706.1582 . Бибкод : 2007PhRvL..99z3902G . дои : 10.1103/physrevlett.99.263902 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 18233578 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]