Принцип работы спектрометров пикометрового разрешения HyperFine от LightMachinery

Спектрометр – это оптический прибор, предназначенный для разделения света на отдельные цвета или длины волн. Таким образом, белый свет, направленный в спектрометр, будет разделен на красный, зеленый, желтый и синий свет на выходе из спектрометра.

Внутри спектрометра можно использовать различные оптические компоненты для разделения длин волн. Выбор компонента в первую очередь зависит от требуемой разрешающей способности R ^[1]. Стеклянная призма иногда используется для приборов с низким разрешением (R < 1000), но наиболее распространенным оптическим компонентом, используемым в современных спектрометрах, является дифракционная решетка^[2]. Дифракционные решетки используются либо для пропускания, либо для отражения и обычно обеспечивают разрешающую способность в диапазоне от 1000 до 100000. Однако для получения более высокого спектрального разрешения требуется использование решеток большего размера.

Для освещения больших дифракционных решеток требуется оптика большого диаметра и большого фокусного расстояния (большие диафрагменные числа) ^[3], чтобы минимизировать аберрации. Большое входное фокусное расстояние (вместе с узкой щелью) также требуется для достижения высокого разрешения из-за соображений визуализации. Следовательно, приборы с дифракционными решетками с R > 50 000 обычно дорогие и имеют большие размеры (длина > 1 м). Для спектрометров высокого разрешения эталоны Фабри-Перо представляют собой компактный и экономичный метод разделения близкорасположенных длин волн. На рисунке 1 поясняется принцип работы такого интерферометра ^[4].

Рис. 1. Принцип работы интерферометра Фабри-Перо ^[5].

Обратите внимание, что условие для передачи конкретной длины волны λ заключается в том, что круговой обход между эталонными пластинами должен быть точно целым числом (m) длин волн. Если расстояние между пластинами d составляет 0.25 мм, то круговой обход равен 1000λ на 500 нм, и легко показать [4], что можно достичь R ≈ 50000 с помощью высококачественного эталона с расстоянием между пластинами в 0.25 мм с использованием достаточно отражающих покрытий.

И хотя эталоны Фабри-Перо обеспечивают высокое разрешение, у них есть два существенных недостатка. Во-первых, через эталон проходит лишь небольшая часть длины волны падающего излучения; большая часть падающего света отражается и теряется в измерительной системе. Обычно >95% света, падающего на эталон, теряется. Второй недостаток эталона Фабри-Перо – проблема перекрытия порядков. В приведенном выше примере свет с длиной волны 500 нм проходит через эталон 0.25 мм, потому что ровно 1000 длин волн подходят для прохода в эталоне туда и обратно. Однако свет с длиной волны 500.5 нм также будет проходить через эталон, на этот раз точно с 999 длинами волн за один проход. Система измерения не может различать эти две длины волн, которые называются порядками перекрытия (в данном случае порядки № 999 и № 1000).

Особый тип эталона, называемый VIPA (фазированная решетка с виртуальным отображением), может использоваться в сочетании с решеткой для преодоления двух недостатков эталона Фабри-Перо, сохраняя при этом его высокое разрешение. Спектрометры серии HyperFine основаны на запатентованной технологии VIPA [6] компании LightMachinery. На рисунке 2 показан принцип работы VIPA.

Рис. 2. Принцип работы эталона VIPA, который состоит из двух параллельных отражающих поверхностей (одна отражает ≈ 100%, другая ≈ 95%). Цилиндрическая линза используется для фокусировки света в VIPA через прорезь с просветляющим покрытием в 100%-но отражающем покрытии [7].

Как только свет сфокусирован в наклонном VIPA, он может выходить только в прямом направлении – через поверхность с отражением 95% (поверхность с отражением 100% не позволяет свету выходить назад). Следовательно, VIPA позволяет отображать весь падающий свет, попадающий в эталон и далее в измерительную систему – это значительное преимущество по сравнению с обычным эталоном Фабри-Перо, который обычно отражает и расходует более 95% падающего света. В остальном VIPA и эталоны Фабри-Перо ведут себя аналогично, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Типичные световые диаграммы для эталонов Фабри-Перо и VIPA, освещенных светом одной длины волны. Слева – картина света, пропускаемого эталоном Фабри-Перо, освещенного конусом света от сферической линзы. Справа показан световой рисунок, передаваемый VIPA, освещенный тем же источником и сфокусированный цилиндрической линзой.

Во многих отношениях световой рисунок, передаваемый VIPA, эквивалентен тонкому «срезу» светового рисунка, передаваемому эталоном Фабри-Перо. Следовательно, спектрометр на основе VIPA по-прежнему сталкивается с проблемой перекрытия порядков, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Три соседних порядка, передаваемых VIPA, когда длина волны падающего света подстраивается с шагом от 550.00 нм до 550.06 нм. Обратите внимание, что VIPA не может различать свет на 550.00 нм и 550.06 нм. Разделение этих двух длин волн в 0.06 нм (или 60 пм) называется свободным спектральным диапазоном (или областью дисперсии) VIPA и соответствует стеклянному VIPA толщиной 1.68 мм [6].

К счастью, для VIPA, освещаемого с помощью цилиндрической линзы, как показано на рисунке 2, различные порядки и длины волн расходятся [8] только в вертикальном направлении (в отличие от эталона Фабри-Перо, как показано на рис. 3). Следовательно, добавление перекрестно диспергирующего элемента, который обеспечивает дисперсию в горизонтальном направлении, может разделить перекрывающиеся порядки. Разрешение в горизонтальном направлении должно быть достаточным только для разделения соседних порядков. В спектрометре HyperFine перекрестная дисперсия обеспечивается отражающей дифракционной решеткой, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Схема расположения оптических компонентов спектрометра HyperFine [9]. VIPA рассеивает падающий свет в вертикальном направлении, обеспечивая высокое разрешение, но также и перекрывающиеся порядки. Дифракционная решетка разделяет перекрывающиеся порядки по горизонтали.

Благодаря VIPA и решетке, обеспечивающим дисперсию в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно, можно использовать объектив для фокусировки всех различных длин волн на поверхности КМОП-камеры. Объектив преобразует углы (в вертикальном и горизонтальном направлениях) в положение на КМОП матрице в фокусе объектива. На рисунке 6 показан поперечно-дисперсный спектр, видимый камерой.

Рис. 6. Схема дисплея, ожидаемого на КМОП-камере, когда скрещенные VIPA и решетка освещены широкополосным («белым») светом. В вертикальном направлении VIPA обеспечивает высокое разрешение, но только для диапазона в одну область дисперсии. В горизонтальном направлении решетка разделяет перекрывающиеся порядки, чтобы можно было «развернуть» весь спектр высокого разрешения. Таким образом, вертикальные полосы разделены одной областью дисперсии в горизонтальном направлении. На диаграмме красный цвет означает более длинные волны; синий более короткие длины волн. Справа показан типичный снимок экрана с камеры. Показана только небольшая часть полного КМОП сенсора, охватывающая 23 области дисперсии VIPA по горизонтали и 0.5 области дисперсии по вертикали.

Спектрометры серии HyperFine от LightMachinery сочетают в себе высокое разрешение (обеспечиваемое VIPA) с расширенным диапазоном измерения (обеспечиваемым решеткой) [10] и использует современные матрицы Мп камер вместе с индивидуальным программным обеспечением для обеспечения беспрецедентной производительности спектрометра скромных размеров и стоимости.

Запись и калибровка спектров с помощью спектрометра HyperFine

Каждый спектрометр HyperFine поставляется с индивидуальным программным обеспечением, которое позволяет пользователю полностью контролировать отображение, запись и калибровку спектров. На самом элементарном уровне пользователь имеет доступ к необработанному выходному сигналу КМОП сенсора и может написать собственное программное обеспечение для анализа определенных спектральных записей. На рисунке 7 показаны примеры необработанного сигнала с детектора как для широкополосного света, так и для монохроматического источника света.

Рис. 7. Типичный вид сигнала с КМОП-сенсора, когда спектрометр HyperFine освещен широкополосным светом (вверху) и монохроматическим лазером с узкой шириной линии (внизу). Полный спектр можно извлечь, «развернув» информацию в областях, отмеченных рамкой.

Рисунок 7 (верхний) – это то же изображение, что и рисунок 6, только в небольшом увеличении. В горизонтальном направлении «полосы» света разделены одной областью дисперсии VIPA. На рисунке 7 (внизу) показаны 3 отдельных интенсивных световых пятна в вертикальном направлении. Каждое пятно представляет собой отдельный порядок VIPA, но каждое пятно формируется светом с точно такой же длиной волны (длина волны монохроматического лазера) [11]. Таким образом, обычно существует избыточная спектральная информация в вертикальном направлении, поскольку спектральные характеристики повторяются в каждом спектральном порядке. Полные спектры могут быть извлечены путем «разворачивания» информации, содержащейся в области сенсора, обозначенной рамками на рисунке 7. Программное обеспечение для HyperFine берет информацию из изображений, аналогичных рисунку 7, и калибрует весь КМОП-детектор как по горизонтали, так и по вертикали в единицах области дисперсии VIPA. Затем программное обеспечение определяет диапазон «полезных» пикселей и процедуру, которая будет использоваться в процессе «разворачивания».

В принципе, если известны как длина волны лазера, используемого для записи рисунка 7 (нижний), так и точная область дисперсии VIPA, «развернутый» спектр можно откалибровать по абсолютной длине волны. Однако, как правило, лучше более точно вводить вторую известную длину волны в спектрометр HyperFine и использовать положения двух известных длин волн для калибровки всего спектра. Программное обеспечение HyperFine может использовать любой подход, в результате чего спектр будет откалиброван с точностью до 5 пм во всем диапазоне длин волн.

Солнечный свет – идеальный источник света для демонстрации работы спектрометра HyperFine. Солнечный свет является оригинальным источником «белого света» и представляет собой источник интенсивного излучения абсолютно черного тела от УФ до ИК. Более 40000 дискретных линий поглощения (линий Фраунгофера) [12] накладываются на фон черного тела и некоторые из этих линий имеют ширину менее 10 пм [13]. Линии Фраунгофера распределены по всему диапазону длин волн от 270 до 1600 нм, а спектральные положения подавляющего большинства линий точно известны. На рисунке 8 показаны два необработанных изображения с КМОП, полученных путем рассеивания солнечного света в спектрометре HyperFine.

Рис. 8. Изображения с КМОП-сенсора для солнечного света, полученные с помощью спектрометра HyperFine: верхнее изображение покрывает область от 527 до 547 нм, а нижнее изображение покрывает меньшую спектральную область от 532 до 541 нм. Множественные темные области, каждая из которых представляет собой линию поглощения Фраунгофера, прерывают белый световой фон солнечного света. Красный прямоугольник на каждом изображении указывает на одну область дисперсии VIPA в вертикальном направлении. Изображения были переэкспонированы (т.е. сильно насыщены) для улучшения видимости.

Программное обеспечение HyperFine делает эти изображения, разворачивает спектр, калибрует шкалу длин волн и выдает результат, подобный показанному на рисунке 9.

Рис. 9. Верхний график показывает выходные данные программного обеспечения HyperFine после того, как оно проанализировало изображения, подобные тем, что показаны на рисунке 8. Метки в красном цвете – это ионные частицы, ответственные за отдельные линии поглощения на солнечном фоне; метки были добавлены после того, как спектр HyperFine был сравнен со спектром из литературы [14].

На рис. 8 и 9 отображена производительность спектрометра HyperFine при его освещении широкополосным светом, содержащим множество спектральных характеристик. С другой стороны, многие приложения включают исследование источников света, которые являются практически монохроматическими, но требуют чрезвычайно высокого спектрального разрешения (спектроскопия бриллюэновского и/или комбинационного рассеяния света, измерение мод диодных лазеров и т. п.). Чтобы продемонстрировать работу спектрометра HyperFine с этим типом источника света, вход спектрометра HyperFine освещался зеленым светом гелий-неонового газового лазера. Этот лазер работает вблизи 544 нм и ожидается, что узкая ширина линии усиливающей среды будет поддерживать две или три продольных моды с интервалом всего 0.5 пм (что соответствует длине лазера 30 см). На рисунке 10 показано необработанное изображение с КМОП и извлеченный спектр.

Рис. 10. Изображение КМОП-сенсора, записанное, когда свет от зеленого гелий-неонового лазера поступал на спектрометр HyperFine (вверху). Четыре различных порядка VIPA регистрируются в вертикальном направлении (VIPA имеет толщину 5 мм с областью дисперсии 20 пм). Каждый порядок показывает отличную структуру мод гелий-неонового лазера. Извлеченный спектр, отображаемый (внизу), показывает, что спектрометр может разрешать продольные лазерные моды, которые разнесены всего на 0.5 пм (500 МГц или 0.17 см^-1).

Стоит отметить, что спектральное разрешение, показанное на рис. 10, эквивалентно разрешающей способности ≈ 0.5 пм на длине волны 500 нм (или R = 1 000 000). Другие типовые спектрометры с такой высокой разрешающей способностью, как правило, очень большие (> 2 м) и очень дорогие.

Дополнительная информация

Эта статья предназначена для ознакомления с принципами работы (и программной реализацией) новой линейки спектрометров высокого разрешения от LightMachinery. Более подробную информацию о работе спектрометров можно найти в руководствах, прилагаемых к приборам, а дополнительные примеры измеренных спектров можно найти в сопутствующих документах [15].

Ссылки

1. Если две длины волны λ и λ+Δλ могут быть разделены (или разрешены) спектрометром, то разрешающая способность спектрометра R определяется следующим образом: R = λ/Δλ. Следовательно, спектрометр, работающий на 500 нм с R = 10000, может разрешить две длины волны, разнесенные на 0.05 нм или 50 пм.
2. По ссылке ниже представлено описание дифракционных решеток:
   https://lightmachinery.com/optical-designcenter/library/users-guides/grating-designer-usersguide/
   Калькулятор дифракционных решеток можно найти по адресу:
   https://lightmachinery.com/optical-designcenter/more-optical-design-tools/gratingspectrometer-designer/
3. Диафрагменное число f оптической системы, такой как линза – это отношение фокусного расстояния системы к диаметру входного зрачка. Это безразмерное число, которое является количественной мерой светосилы и важным понятием в конструкции спектрометр.
4. Ссылка ниже дает введение в эталоны Фабри-Перо:
   https://en.wikipedia.org/wiki/Fabry–Pérot_interferometer
   Калькулятор для эталонов Фабри-Перо можно найти по ссылке ниже:
   https://lightmachinery.com/optical-designcenter/etalon-designer/
5. Перепечатано с: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/phyopt/fabry.html
6. Подробное описание VIPA можно найти по ссылке ниже
   https://lightmachinery.com/optical-designcenter/library/users-guides/vipa-designer-usersguide/
   Калькулятор VIPA можно найти по следующей ссылке:
   https://lightmachinery.com/optical-design-center/more-optical-design-tools/vipa-designer/
7. Перепечатано с: Metz, Philipp, et al. Optics express 21.3 (2013): 3324-3335
8. Призмы, решетки и эталоны разделяют падающий свет на составляющие, обеспечивая выход волн разной длины под разными углами – это изменение угла с длиной волны называется дисперсией.
9. Перепечатано с: Van den Berg, Steven A., et al. Scientific reports 5 (2015): 14661.
10. Особенности скрещенной дисперсии спектрометра аналогичны используемым в спектрометрах на основе эшелле-решеток. Однако инструменты с эшелле-решеткой с разрешающей способностью, сопоставимой с спектрометром, обычно намного больше и дороже.
11. Каждый порядок VIPA центрируется на отдельной «полосе», как схематически показано ниже:
    
12. Введение в линии Фраунгофера можно найти на: https://en.wikipedia.org/wiki/Fraunhofer_lines
    Более подробное описание солнечного спектра дается в презентации НАСА:
    http://mark4sun.jpl.nasa.gov/report/UT_seminar_Solar_Spectrum_Toon.pdf
13. Спектральная ширина некоторых из наиболее сильных линий Фраунгофера приведена на сайте: http://www.costi.org/9006-025.htm
14. Beckers, Jacques M., Charles A. Bridges, and Lou B. Gilliam. A High Resolution Spectral Atlas of the Solar Irradiance from 380 to 700 Nanometers. Volume 2. Graphical Form. No. AFGL-TR-76-0126 (II). AIR FORCE GEOPHYSICS LAB HANSCOM AFB MA, 1976.
15. Дополнительные документы, доступные от , описывают спектры высокого разрешения для калибровочных ртутных ламп, солнечного излучения, пикосекундных лазеров и бриллюэновского рассеяния.

Скачать брошюру «Принцип работы спектрометров пикометрового разрешения HyperFine от LightMachinery»