Спектрометр - оптический прибор для разложения пучка излучения в спектр (для излучения в видимом диапазоне - на различные цвета) и дальнейшего анализа. Так, излучение белого цвета с помощью спектрометра раскладывается на длины волн, соответствующие красному, зеленому, желтому и синему цвету.
Разложение входного излучения в спектр осуществляется с помощью разных оптических компонентов внутри спектрометра, выбор которых зависит от требований конкретного приложения, например, от разрешающей способности R. Раньше для разложения пучка в спектр использовались стеклянные призмы, но спектр в результате имел низкое разрешение (R < 1000).
Основным светоделительным компонентом в современных спектрометрах является дифракционная решетка. Дифракционные решетки работают и в отраженном, и в проходящем свете, разрешающая способность дифракционной решетки лежит в диапазоне от 1000 до 100000. При этом даже малое увеличение разрешающей способности решетки ведет к значительному увеличению ее геометрических размеров.
Чтобы эффективно осветить крупную дифракционную решетку, требуется достаточно большой диаметр пучка. Для снижения аберраций в такой системе потребуется оптика большого диаметра и фокусного расстояния. Большое входное фокусное расстояние (а также сопоставимая по диаметру входная апертура) также требуется для достижения высокого разрешения при визуализации.
Дифракционные решетки с разрешающей способностью R выше 50000 в длину достигают 1 метра, и, как правило, очень дороги - их стоимость превышает 50 тыс. долларов.
Эталоны Фабри-Перо - экономичный и быстрый способ добиться высокого разрешения спектральной картины. На рис. 1 изображен принцип работы эталона (интерферометра) Фабри-Перо.
Рисунок 1. Принцип работы интерферометра Фабри-Перо при условии максимума (пропускания) интерференционной картины в центре
Замечание: условие максимальной передачи излучения конкретной длины волны λ состоит в том, что один цикл прохождения излучения между эталонными пластинами должен выражаться целым числом m длин волн. В случае, когда излучение падает на посеребренную с одной стороны стеклянную пластину под некоторым углом, в фокусе линзы образуются концентрические кольца (кольца Ньютона).
Если расстояние между пластинами d составляет 0.25 мм, излучение с длиной волны 500 нм пройдет оптический путь 1000λ. Производя некоторые расчеты и анализируя значения, можно утверждать следующее: с помощью высококачественного эталона с расстоянием между пластинами 0.25 мм и с использованием высокоотражающих покрытий разрешающая способность спектрометра R составит ~ 50000.
Несмотря на эти свойства, эталоны Фабри-Перо имеют два существенных недостатка. Во-первых, через эталон передается только небольшая часть падающего излучения, а значительная часть падающего света отражается и теряется в измерительной системе. Как правило потери излучения составляют более 95%. Во-вторых, эталонам Фабри-Перо свойственно явление перекрывающихся порядков. В приведенном выше примере свет с длиной волны 500 нм проходит через эталон 0.25 мм, и ровно 1000 длин волн вписываются в один цикл в эталоне. Однако если свет с длиной волны 500.5 нм также будет проходить через эталон, и оптический путь составит 999 длин волн, измерительная система не сможет различить эти две длины волны. Это и называется перекрывающимися порядками (порядки 999 и 1000, в данном случае).
Для преодоления вышеперечисленных недостатков в комбинации с эталонами Фабри-Перо применяются специальные VIPA-эталоны от компании LightMachinery. Они не снижают достигнутого разрешения и используются в серии высокоточных спектрометров HyperFine от компании LightMachinery. На рис.2 проиллюстрирован принцип работы эталонов VIPA-эталонов.
Рисунок 2. Принцип работы эталонов VIPA, состоящих из двух параллельных отражающих пластин (100% отражения с одной стороны, 95% с другой): цилиндрический объектив применяется для фокусировки излучения на эталон, излучение падает на пластину со 100% отражением
Сфокусированный пучок попадает на эталон. Эталон расположен под некоторым углом к падающему излучению, но выйти излучение может только в прямом направлении - через поверхность с 95% отражением (противоположная поверхность не позволяет отражать свет в обратном направлении). Теоретически, VIPA-эталон позволяет передавать все излучение в измерительную систему без потерь.
Высокая передача - существенное преимущество по сравнению с обычными эталонами Фабри-Перо. В остальном VIPA-эталоны и эталоны Фабри-Перо почти одинаковы (см. рис. 3).
Рисунок 3. Типичная интерференционная картина, полученная с помощью эталонов Фабри- Перо и VIPA: слева - образец интерференционной картины, полученной с помощью эталона Фабри-Перо и сферического объектива, справа - интерференционная картина, полученная с помощью эталона VIPA и цилиндрического объектива
Во многих отношениях картина интерференционных полос, полученная с помощью VIPA-эталона, эквивалентна малому участку картины, передаваемому эталоном Фабри-Перо (сильно увеличенному). Однако проблема перекрывающихся порядков не исчезает полностью и в VIPA-эталонах (см. рис. 4).
Рисунок 4. Иллюстрация явления перекрывающихся порядков в эталоне VIPA: шаг 0.01 нм, отсчет проводится для длин волн 550 - 550.06 нм, как видно из рисунка, эталон VIPA не распознает излучение длиной 550 нм и 550.06 нм, разница между этими двумя длинами волн 0.06 нм или 60 мкм называется свободным спектральным диапазоном эталона, область свободной дисперсии 60 мкм соответствует пластине VIPA с толщиной 1.68 мм
VIPA-эталоны, освещенные излучением, сфокусированным цилиндричеким объективом, как показано на рис. 2, демонстрируют рассеяние различных порядков и длин волн только в вертикальном направлении (в отличие от интерферометров Фабри-Перо). Добавление кросс-диспергирующего элемента, который обеспечивает дисперсию в горизонтальном направлении, поможет разделять перекрывающиеся порядки.
В спектрометре с высоким разрешением серии HyperFine перекрестная дисперсия обеспечивается отражательной дифракционной решеткой, как это показано на рис. 5.
Рисунок 5. Схематичное изображение оптической схемы спектрометра HyperFine: VIPA рассеивает падающее излучение в вертикальном направлении, высокое разрешение сохраняется, но перекрываются порядки, решетка разделяет перекрывающиеся порядки в горизонтальном направлении
С VIPA-эталоном и дифракционной решеткой, обеспечивающими дисперсию излучения в вертикальном и горизонтальном направлениях соответственно, можно использовать линзу для фокусировки различных длин волн на поверхности ПЗС-матрицы приемника (камеры). Рис. 6 иллюстрирует спектр перекрестного рассеяния, принятый камерой.
Рисунок 6. Визуализация спектра, ожидаемого на ПЗС-камере, когда эталон VIPA и дифракционная решетка освещаются широкополосным (белым) светом: в вертикальном направлении эталон обеспечивает высокое разрешение, но только в диапазоне свободной дисперсии, в горизонтальном направлении решетка разделяет перекрывающиеся порядки, что позволяет «развернуть» весь спектр, сохраняя высокое разрешение. Таким образом, вертикальные полосы разнесены на величину области свободной дисперсии в горизонтальном направлении, на диаграмме красный цвет представляет более длинные волны, синий - короткие волны, снимок с камеры показан справа (представлена только часть ПЗС-матрицы, охватывающая 23 области свободной дисперсии по горизонтали и 0.5 по вертикали
Спектрометры от LightMachinery серии HyperFine сочетают высокое разрешение (благодаря VIPA-эталонам) и широкий диапазон измерений (благодаря дифракционной решетке). Современные мегапиксельные матрицы приемников (камер) и настраиваемое функциональное ПО создают эффективный и надежный прибор для высокоточных спектрометрических измерений.
Запись и калибровка спектра с помощью спектрометра HyperFine
Каждый спектрометр HyperFine поставляется со специальным программным обеспечением, с помощью которого можно осуществлять полный контроль над визуализацией, а также при записи и калибровке спектров.
На самом элементарном уровне пользователь имеет доступ к данным матрицы приемника, может применить к ним собственные алгоритмы обработки. На рис. 7 показаны примеры отображения необработанной матрицы как при освещении широкополосным светом, так и при освещении монохроматическим пучком.
Рисунок 7. Вид ПЗС -матрицы спектрометра, подсвеченной широкополосным светом (верхний снимок) и подсвеченной узкополосным монохроматическим пучком (нижний снимок)
На рис. 7 (вверху) то же изображение, что и на рис. 6, только несколько уменьшенное в масштабе. В горизонтальном направлении полосы спектра разделены одной областью свободной дисперсии VIPA-эталона.
Рис. 7 (внизу) показывает 3 отдельных световых пятна высокой интенсивности в вертикальном направлении. Каждое пятно представляет отдельный порядок, различенный VIPA-эталоном, и формируется светом одинаковой длины волны (монохроматическое излучение лазера). Имеется избыточная спектральная информация в вертикальном направлении, поскольку признаки повторяются в каждом порядке спектра. Полные спектры могут быть извлечены путем «разворачивания» информации, содержащейся в области матрицы, обведенной в прямоугольник на рис. 7.
Программное обеспечение, поставляемое вместе со спектрометром, обрабатывает информацию с матрицы приемника и калибрует весь ПЗС-датчик в горизонтальном и вертикальном направлениях в единицах области свободной дисперсии. Затем программное обеспечение определяет диапазон «полезных» пикселей и процедуру, которая будет использоваться в процессе извлечения полного спектра. В принципе, если известны длина волны лазера и точная область свободной дисперсии VIPA, полный спектр может быть откалиброван по всему диапазону. Однако практически целесообразнее вводить вторую известную длину волны в спектрометр HyperFine и использовать положения двух известных длин волн для калибровки всего спектра.
Программное обеспечение HyperFine многофункционально, в результате алгоритмов обработки спектр калибруется с точностью до 5 пм во всем диапазоне длин волн.
Солнечный свет является идеальным источником света для демонстрации производительности спектрометра HyperFine, поскольку солнце - абсолютно черное тело, излучающее от УФ до ИК диапазона.
Более 40000 дискретных линий поглощения (линий Фраунгофера) накладываются на фоновое излучение черного тела, некоторые из этих линий имеют ширину менее 10 мкм. Линии Фраунгофера распределены по всему диапазону от 270 нм до 1600 нм, положения большинства из них на спектре известны точно. На рис. 8 показана пара необработанных снимков с ПЗС-детекторов, полученных с помощью рассеянного солнечного света.
Рисунок 8. ПЗС-матрица спектрометра HyperFine, подсвеченная солнечным светом: верхнее изображение - область 527-547 нм, нижнее - 532 - 541 нм, множество темных пятен (полос), каждое из которых представляет собой линию поглощения Фраунгофера, снижают однородность излучения
В красный прямоугольник заключена область свободной дисперсии эталона VIPA. Насыщенность изображений повышена в целях наглядности. В дальнейшем программное обеспечение HyperFine обрабатывает эти изображения, раскрывает спектр, калибрует шкалу длин волн. Результат показан на рис. 9.
Рисунок 9. Кривая на снимке сверху иллюстрирует анализ выходного сигнала с помощью ПО HyperFine, данные для анализа - см. рис. 8: красным цветом обозначены ионные частицы, вызывающие отдельные линии поглощения на фоне солнечного излучения, метки добавлены после сравнения спектра HyperFine со спектром из литературных источников
На рис. 8 и 9 иллюстрирована производительность спектрометра HyperFine при работе с широкополосным излучением (солнце или иной широкополосный источник).
С другой стороны, многие приложения связаны с исследованием источников монохроматического и квазимонохроматического света. В таких исследованиях чрезвычайно важно достичь высокого разрешения (например, спектроскопия Бриллюэна и спектроскопия комбинационного рассеяния, перестройка режимов диодного лазера и т. д.).
Чтобы продемонстрировать работу спектрометра HyperFine с источником монохроматического (квазимонохроматического) света, вход спектрометра HyperFine был освещен зеленым He-Ne лазером. Рабочая длина волны этого лазера составляет около 544 нм, источник узкополосный. Активная среда, как ожидается, поддерживает две или три продольных моды с интервалом всего 0.5 мкм (что соответствует лазерному источнику длиной 30 см). На рис. 10 показан извлеченный спектр.
Рисунок 10. Спектр монохроматического источника: заметно, что спектрометр может разрешать продольные лазерные моды, разделенные на 0.5 мкм (500 МГц или 0.17 см-1), спектральное разрешение эквивалентно разрешающей способности ~ 0.5 мкм на длине волны 500 нм или R = 100000
© LightMachinery Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции LightMachinery на территории РФ
В работе предлагается технология производства источников неразличимых фотонов в телекоммуникационном С-диапазоне на основе эпитаксиальных полупроводниковых квантовых точек. Новая методика позволяет детерминировано интегрировать квантовые излучатели в микрорезонаторы из кольцевых брэгговских решёток.
В статье описывается адаптация научной КМОП камеры Tucsen с обратной засветкой с целью улучшения возможностей регистрации когерентного рассеяния мягкого рентгеновского излучения.
В работе представлено два возможных варианта использования источников суперконтинуума: в качестве источника зондирующего излучения для оптической когерентной томографии и в качестве источника возбуждения для флуоресцентной кросс-корреляционной спектроскопии.
В работе реализован протокол BB84 с твердотельным источником одиночных фотонов на основе атомарно тонких слоев WSe2, выделяющийся простотой изготовления и настройки свойств. Система конкурентоспособна в сравнении с передовыми решениями, а с внедрением улучшений в виде микрорезонаторов может превзойти их.
В статье описывается метод широкопольной квантовой микроскопии с пространственным разрешением 1,4 мкм, основанный на схеме с симметричными плечами холостых и сигнальных фотонов. Преимущества метода: высокие скорость, отношение сигнал/шум и устойчивость к рассеянному свету в сравнении с аналогичными методами квантовой визуализации.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
