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    【儀器使用技巧】Mozza光譜儀基本原理

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    任一光譜儀的核心部分都是分光系統,它一般是由準直系統、色散系統、成像系統三部分組成,主要作用是將待測光在一定空間內按照一定波長的規律分開。

    如圖1所示,準直系統一般由入射狹縫和準直物鏡組成,入射狹縫位于準直物鏡的焦平面上。光源和照明系統發出的光通過狹縫照射到準直物鏡,變成平行光束投射到色散系統上。

    圖4.jpg

    圖1. 光譜儀原理


    色散系統的作用是將入射的單束復合光分解為多束單色光。多束單色光經過成像物鏡按照波長的順序成像在透鏡焦平面上;這樣,單束的復合光經過分光系統后成功變成了多束單色光的像。目前主要的色散系統有物質色散(如棱鏡)、多縫衍射(如光柵)和多光束干涉(如干涉儀)。

    探測接收系統的作用是將成像系統焦平面上接收的光譜能量轉換成易于測量的電信號,并測量出對應光譜組成部分的波長和強度,從而獲得被研究光或物質的特性參數,如物質的組成成分及其含量以及物質的溫度、星體的運動速度等等。

    目前光譜儀器的接收系統可以分為目視系統、攝譜系統和光電系統。

    根據現代光譜儀器的工作原理,光譜儀可以分為兩大類:經典光譜儀和新型光譜儀。經典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器;新型光譜儀器是建立在調制原理上的儀器。

    而本文中講述的紅外光譜儀Mozza (FASTLITE.Inc) 即是一臺基于聲光調制進行波長選擇的新型光譜儀。

    Mozza內部的分光元件不是傳統光譜儀中的光柵或棱鏡結構,而是一個基于TeO2晶體聲光調制作用的帶通濾波器(Acousto-opticTunable Filter, AOTF)。通過控制加載在晶體上的聲波頻率來選擇該窄帶濾波器的中心頻率。

    因而,通過掃描聲波頻率,可以選出入射光脈沖的不同頻率成分,用探測器記錄其光學強度值。最后將聲波頻率重建為光頻率,從而得到完整的入射光光譜。由于Mozza同時具有寬測量范圍(1-5um)和高分辨率等優點,使得它成為紅外光譜研究中的一個越來越不可或缺的測量儀器。

    圖5.jpg


    Mozza光譜儀


    下面結合圖2介紹Mozza光譜儀的工作原理:

    圖6.jpg


    圖2. Mozza基本原理圖


    如圖2,為Mozza的基本原理圖,入射激光脈沖經過分束片分成兩束,透射光通過AOTF晶體(加載特定的聲波頻率),輸出的窄帶衍射光的強度信息被一個單點探測器記錄下來(MCT);

    經分束片的反射光直接被另一個單點探測器(MCT)記錄。如果入射光脈沖的能量穩定性發生變化,利用參考光的強度可以修正因入射光能量改變造成的衍射光的強度變化,從而使光譜儀記錄的歸一化強度保持穩定。

    但是,一束待測激光入射到聲光晶體上,除了會出現我們測量需要的衍射光束外,還會出現測量不需要的透射光束,且該透射光束的能量要比衍射光束大幾個數量級。為了消除透射光束,提高信噪比,Mozza還用到了以下幾種技術:

    1. 由于經聲光晶體的衍射光束和透射光束的出射方向不同,可以用狹縫來濾除大部分透射光;

    2. 由于經聲光晶體的衍射光束(P偏振)和透射光束(S偏振)的偏振不同,可以用寬帶偏振器來濾除大部分透射光;

    3. 但是,經過以上兩種方法后,仍有可能有透射光或其散射光進入MCT,為進一步提高信噪比,Mozza采用了一種鎖定探測技術(lock-in detection technique).

      Mozza記錄了在聲光晶體上加載調制聲波和不加載調制聲波時,MCT測量到的信號,然后兩者做差分運算,從而消除剩余部分的透射光對探測信號的影響。所以,Mozza可以得到極高的信噪比。


    此外,Mozza的靈敏度和分辨率曲線如下圖3所示,可以看出,在1.2um-3.0um波段范圍,Mozza均具有極高的靈敏度和分辨率。

    圖7.jpg
    圖3,Mozza靈敏度(黑色)和分辨率(藍色)曲線 

    圖8.jpg

    圖4. Mozza測量暗光譜



    綜上,基于Mozza的工作原理,其具有以下優點:

    1.  基于AOTF,可以測量幾Hz到MHz乃至連續光的中紅外激光;

    2. 無需更換狹縫和光柵,可以直接精確測量幾個光學倍頻程的紅外脈沖(1~5um);

    3.  基于MCT單點探測器,可以實現極高的光譜分辨率(5cm-1)和靈敏度(0.5pJ/5cm-1),如圖3;

    4. 基于光路設計和模擬算法,可以實現激光能量波動的補償,降低掃描過程中對脈沖能量穩定性的要求;

    5. 動態范圍可達40dB;

    6.  極高的信噪比——鎖定探測模式

     

    在實際使用過程中,Mozza又有如下的不足。

    1. Mozza基于掃描式測量,如果待測信號光重復頻率低,則測量時間很長,此時對光的穩定性有所要求。對于某些要求掃描速度快的場合來說,不是很方便,如低重頻光的CEP測量。

    2. Mozza利用MCT探測光信號,由圖3和圖4可以看出,當待測波長大于5um時,Mozza測得的噪聲很大。

    但瑕不掩瑜,由于Mozza具有寬測量范圍(1-5um)和高分辨率等優點,使得它成為紅外光譜研究中的一個越來越不可或缺的測量儀器。


    關于Mozza的具體使用方法,我們會在下一期中介紹。



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