Главная / Библиотека / Оптические анализаторы спектра Thorlabs

Оптические анализаторы спектра Thorlabs

Теги разрешающая способность анализатор спектра критерий Рэлея Thorlabs
Оптические анализаторы спектра Thorlabs

Описание схемы интерферометра

В анализаторе оптического спектра с преобразованием Фурье (FT-OSA) от Thorlabs установлено два обратных отражателя, как показано на рисунке 1. Отражатели установлены на платформе, оснащенной катушкой линейного электропривода, служащей для динамических измерений длины оптического пути двух плеч интерферометра одновременно и в противоположных направлениях. Чем дольше изменяется разность длин оптических путей, тем более точно разрешается спектр в анализаторе.

OSA_Interferometer_Design_D2-350

Рисунок 1. Схема хода лучей в оптическом анализаторе спектра Thorlabs

После коллимации на входе пучок падает на светоделительную пластину. Он разделяет оптический сигнал на две составляющие. Разница в длине оптических путей может варьироваться от 0 до ± 40 мм. Далее коллимированные световые пучки интерферируют, преломляясь на светоделителе.

Детектор (приемное устройство, камера) регистрирует интерференционную картину, так называемую интерферограмму. Интерферограмма представляет собой автокорреляционную форму входного оптического спектра. Применяя преобразование Фурье к форме сигнала, можно восстановить начальный оптический спектр. Результирующий спектр имеет высокое разрешение и отображает широкий диапазон длин волн. Диапазон длин волн ограничен полосой пропускания детекторов и оптических покрытий. Анализатор FT-OSA калибруется эталонным гелий-неоновым лазером со стабилизированной частотой (632,991 нм). Этот прибор по диапазону измерений и точности намного превосходит анализаторы спектра на основе дифракционных решеток.

Каждая модель оптического анализатора спектра имеет спектральное разрешение 7,5 ГГц или 0,25 см-1. Конечно, разрешение зависит от длины волны падающего излучения. В общем случае спектральное разрешение определяется в соответствии с критерием Рэлея и представляет собой минимальное расстояние между двумя спектральными элементами, необходимое для разрешения их как двух отдельных линий.

Чтобы уменьшить присутствие линий поглощения воды в средней ИК области спектра, оптические анализаторы спектра оснащены двумя быстроразъемными шланговыми соединениями (внутренний диаметр 1/4 дюйма) на задней панели, через которые интерферометр может продуваться сухим воздухом или азотом.

Разрешающая способность и чувствительность

Разрешение зависит от разности оптических путей между двумя плечами в интерферометре. Предположим, у нас есть два узкополосных источника (лазера), с разрешениями 1 см-1, 6500 см-1 и 6501 см-1. Чтобы различать эти сигналы на интерферограмме, нам нужно отойти на 1 см от точки нулевой разности хода. Анализатор может перемещаться на ± 4 см вдоль плеча и разрешать спектральные линии, расстояние между которыми может доходить до 0,25 см-1. Разрешение прибора можно рассчитать как:

РАЗДЕЛ Уравнение 2

где Δλ - разрешение в пм, Δk - разрешение в см-1 (максимум 0,25 см-1 для этого прибора), а λ - длина волны в мкм. Разрешение, выраженное как функция длины волны по формуле выше, показано на графике на рис. 2.

b2728172980

Рисунок 2. Демонстрация зависимости разрешения спектра с низким разрешением (Δk = 1 см-1) и высоким (Δk = 0,25 см-1). Диапазон длин волн каждой модели ограничен полосой пропускания детекторов и оптических покрытий

Разрешение анализатора спектра можно установить в режим высокого или низкого в главном окне программы. В режиме высокого разрешения ретрорефлекторы перемещаются на максимум ± 1 см, в то время как в режиме низкого разрешения ретрорефлекторы перемещаются на ± 0,25 см. Программное обеспечение может сократить длину интерферограммы, которая используется при вычислении спектра, чтобы удалить спектральный вклад высокочастотных компонентов.

Чувствительность прибора зависит от диапазона усилителя. Высокое усиление уменьшает полосу пропускания детекторов, таким образом прибор будет работать медленнее. На рисунках 3-4 показана зависимость минимального уровня шума от длины волны и модели анализатора.

b314994819
Рисунок 3. Минимальный уровень шума в режиме абсолютной мощности

b4279791281
Рисунок 4. Минимальный уровень шума в режиме плотности мощности

Режимы абсолютной мощности и режим плотности мощности

По вертикальной оси может отображаться как абсолютная мощность, так и плотность мощности в линейном или логарифмическом масштабе. В режиме абсолютной мощности отображаемая общая мощность связана с фактическим  разрешением прибора на данной длине волны; этот режим рекомендуется использовать только с узким спектром. Для широкополосных устройств рекомендуется использовать режим плотности мощности.

Получение интерферограмм           

Для получения качественных интерферограмм требуется высокое разрешение. Интерференция эталонного лазера используется для синхронизации 16-битного аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Период опорной волны HeNe-лазера оцифровывается, а его частота умножается с помощью схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Несколько PLL-фильтров позволяют настроить умножитель частоты на увеличение в 16, 32, 64 или 128 раз. Множественные фильтры ФАПЧ позволяют пользователю сбалансировать системные параметры разрешения и чувствительность.

Высокоскоростной порт USB 2.0 передает данные со скоростью 6 МБ/с по схеме «пинг-понг», что позволяет реализовать потоковую передачу очень больших пакетов. После сбора данных программное обеспечение анализатора спектра, оптимизированное для современных многоядерных процессоров, выполняет ряд вычислений (быстрое преобразование Фурье, БПФ) для анализа и согласования формы входного сигнала, чтобы получить на выходе максимально возможное разрешение и высокое соотношение сигнал/шум.

Усилитель-детектор со сниженным уровнем шума и автоматической регулировкой усиления имеет большой динамический диапазон, позволяет оптимально эффективно использовать АЦП и обеспечивает отличное отношение сигнал-шум (SNR) для входной мощности до 10 мВт. Для сигналов малой мощности система обычно может обнаруживать менее 100 пВт от узкополосных источников. Архитектура детектора увеличивает отношение сигнал/шум системы, передавая в анализатор Thorlabs FT-OSA практически весь сигнал, а также подавляя синфазный шум.

b2375425185
Рисунок 5. Типичный вид интерферограмм

Обработка интерферограмм

Интерферограммы, генерируемые прибором, содержат от 0,5 миллиона до 16 миллионов точек данных в зависимости от настроек разрешения и чувствительности. Программное обеспечение анализатора спектра FT-OSA обрабатывает входные данные и разумно выбирает оптимальный алгоритм БПФ из внутренней библиотеки.

Дополнительная производительность программного обеспечения достигается за счет использования асинхронного, многопоточного подхода к сбору и обработке данных интерферограммы. Многопоточная архитектура программного обеспечения позволяет решать несколько задач параллельно, активно адаптируясь к возможностям ПК, обеспечивая тем самым максимальное заполнение полосы пропускания процессора. Каждый из приборов для анализа спектра FT-OSA поставляется в комплекте с портативным компьютером.

Режим измерения длины волны

При обработке узкополосных оптических сигналов анализатор FT-OSA автоматически вычисляет центральную длину волны входного сигнала. Это значение рассчитывается путем подсчета интерференционных полос (периодов интерферограммы) по следующей формуле:

ЧАСТЬ Уравнение 1

Здесь mref - количество интерференционных полос, полученных опорным лазером, mmeas - количество полос, полученных входным лазером, nref - показатель преломления воздуха на длине волны эталонного лазера (632,991 нм), а λref, vac - длина волны излучения в вакууме. nmeas - это показатель преломления воздуха на длине волны λmeas, vac, который определяется из λmeas, air (то есть измеренной длины волны в воздухе) с использованием модифицированной формулы Эдлена.

Разрешение анализатора FT-OSA при измерении длины волны значительно выше, чем при работе в качестве широкополосного спектрометра. В режиме измерителя длины волны система может разрешить долю интервала до предела, установленного умножителем контура фазовой автоподстройки частоты. На практике разрешающая способность системы ограничена полосой пропускания, шумом детекторов, дрейфом эталонного лазера, юстировкой интерферометра и другими систематическими ошибками. Обнаружено, что в режиме измерителя длины волны система обеспечивает надежные результаты с точностью до ± 0,1 пм в видимом спектре и ± 0,2 пм в ближнем инфракрасном диапазоне.

Программное обеспечение определяет подходящее для данного излучения разрешение. Если данные неточны, как это было бы в случае спектра с несколькими пиками, программное обеспечение отключает режим измерителя длины волны, чтобы он не давал ложных результатов.

Калибровка длины волны и точность

В анализаторе FT-OSA установлен стабилизированный эталонный гелий-неоновый лазер с длиной волны в вакууме 632,991 нм. Стабилизированный по частоте HeNe лазер обеспечивает точность определения длины волны. Прибор калибруется на заводе. Влияние любой остаточной ошибки выравнивания на измерения длины волны составляет менее 0,5 ппм. Точность наведения входного луча обеспечивается высокоточным керамическим патроном и прочной конструкцией резонатора интерферометра. В сканирующем интерферометре не используются оптические волокна.

Если вы работаете в видимой области спектра, влияние относительной влажности на показатель преломления воздуха может повлиять на точность измерений. Чтобы компенсировать это, программное обеспечение позволяет вручную устанавливать предполагаемое значение относительной влажности. Влияние влажности незначительно в инфракрасном диапазоне.

Коэффициент ослабления

Возможность измерения сигналов низкой амплитуды, близких к пику, определяется коэффициентом ослабления оптического сигнала прибора. Его можно рассматривать как отклик фильтра анализатора, определяется в виде соотношения между мощностью на заданном расстоянии от пика и мощностью на пике.

Если коэффициент ослабления не выше, чем отношение оптического сигнала к шуму тестируемого источника, измерение будет ограничено чувствительностью анализатора.

© Thorlabs

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ 

 

Теги разрешающая способность анализатор спектра критерий Рэлея Thorlabs
Новые статьи
Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R2 = 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R2 = 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R2 = 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R2 = 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем. 

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с−1 см−2.

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород
Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.
У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3