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.

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:

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.

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.

Рисунок 3. Минимальный уровень шума в режиме абсолютной мощности

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.

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:

Здесь m_ref - количество интерференционных полос, полученных опорным лазером, m_meas - количество полос, полученных входным лазером, n_ref - показатель преломления воздуха на длине волны эталонного лазера (632,991 нм), а λ_{ref, vac} - длина волны излучения в вакууме. n_meas - это показатель преломления воздуха на длине волны _{λmeas, vac}, который определяется из λ_{meas, 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