 | This article is an orphan, as no other articles link to it. Please introduce links to this page from related articles; try the Find link tool for suggestions. (March 2016) |
 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( март 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
Вернье-спектроскопия - это разновидность лазерной абсорбционной спектроскопии с усилением резонатора, которая особенно чувствительна к следовым газам. В этом методе используется частотный гребенчатый лазер в сочетании с высокоточным [1] оптическим резонатором для получения спектра поглощения с высокой степенью параллельности. 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 [ править ]
Понимание принципа работы вернье-спектроскопии требует понимания частотных гребенчатых лазеров. Осциллирующее электрическое поле лазера (или любой сигнал, зависящий от времени) может быть представлен суммой синусоидальных сигналов в частотной области с использованием ряда Фурье . Осциллирующее электрическое поле когерентного лазера непрерывного действия (непрерывного излучения) представлено в виде одного узкого пика в представлении частотной области. Если лазер с амплитудной модуляциейдля создания стабильной серии 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 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.
Значительный выход из оптического резонатора будет только тогда, когда пик частоты лазера с гребенчатой частотной решеткой совпадает с гармоникой свободного спектрального диапазона резонатора. 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 состояние резонанса оптического резонатора и распространяться через него и образец. Это выбрано так, чтобы два набора резонансов образовали шкалу 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 с помощью простого решетчатого спектрометра . Если немного изменить длину резонатора, обычно с помощью пьезоэлектрического привода, то свободный спектральный диапазон резонатора 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. Чтобы добиться высокопараллельного измерения отдельных частотных составляющих, передаваемых через образец и из резонатора, ПЗС-матрицаиспользуется камера, способная работать в спектральном диапазоне лазерного излучения. В случае дифракционной решетки частотные составляющие разделяются в одном пространственном направлении и фокусируются в ПЗС-камеру. Чтобы воспользоваться преимуществом другого пространственного направления ПЗС, свет сканируется в перпендикулярном направлении ПЗС 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 устройства [ править ]
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 предназначена 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 ПЗС-камеру. Тогда три вещи должны произойти синхронно.Оптический резонатор сканирует свободный спектральный диапазон резонатора, в то время как вращающееся зеркало одновременно сканирует направление, перпендикулярное плоскости дифракции дифракционной решетки. Эти два действия могут быть синхронизированы с помощью периодического линейного изменения напряжения, которое управляет как сканированием полости (выполняется пьезоэлектрическим приводом), так 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 линейного 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 способна получить спектр поглощения газовых примесей (<1 ppmV) с десятками тысяч точек данных менее чем за секунду.[2]
Вернье-спектроскопия создает на ПЗС-изображении своего рода двумерный спектральный узор, матрицу приблизительно гауссовых пиков. Интегрированная интенсивность каждого гауссова пика дает интенсивность, прошедшую через тестовый газ, в то время как положение пика также дает информацию об относительной частоте пика. Дополнительную информацию о фазовом сдвиге света, пропускаемого тестовым газом, можно извлечь из формы отдельных пиков, присутствующих на изображении. Хотя вся спектральная информация содержится в изображениях, создаваемых ПЗС, требуется некоторая обработка изображения, чтобы преобразовать изображение ПЗС в традиционный одномерный спектр [3]
Ссылки [ править ]
- ^ Paschotta, R (октябрь 2008). Энциклопедия лазерной физики и техники (1-е изд.). «Статья об изяществе»: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40828-3.
- ^ а б 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 газовых примесей» . Оптика Экспресс . Оптическое общество. 22 (19): 23026-23033. DOI : 10.1364 / oe.22.023026 . ISSN 1094-4087 .
- ^ 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 физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 99 (26): 263902. arXiv : 0706.1582 . DOI : 10.1103 / physrevlett.99.263902 . ISSN 0031-9007 .
