【儀器使用技巧】Mozza光譜儀基本原理
任一光譜儀的核心部分都是分光系統(tǒng)，它一般是由準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、成像系統(tǒng)三部分組成，主要作用是將待測光在一定空間內(nèi)按照一定波長的規(guī)律分開。
如圖1所示，準(zhǔn)直系統(tǒng)一般由入射狹縫和準(zhǔn)直物鏡組成，入射狹縫位于準(zhǔn)直物鏡的焦平面上。光源和照明系統(tǒng)發(fā)出的光通過狹縫照射到準(zhǔn)直物鏡，變成平行光束投射到色散系統(tǒng)上。
圖1. 光譜儀原理
色散系統(tǒng)的作用是將入射的單束復(fù)合光分解為多束單色光。多束單色光經(jīng)過成像物鏡按照波長的順序成像在透鏡焦平面上；這樣，單束的復(fù)合光經(jīng)過分光系統(tǒng)后成功變成了多束單色光的像。目前主要的色散系統(tǒng)有物質(zhì)色散（如棱鏡）、多縫衍射（如光柵）和多光束干涉（如干涉儀）。
探測接收系統(tǒng)的作用是將成像系統(tǒng)焦平面上接收的光譜能量轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號，并測量出對應(yīng)光譜組成部分的波長和強(qiáng)度，從而獲得被研究光或物質(zhì)的特性參數(shù)，如物質(zhì)的組成成分及其含量以及物質(zhì)的溫度、星體的運(yùn)動速度等等。
目前光譜儀器的接收系統(tǒng)可以分為目視系統(tǒng)、攝譜系統(tǒng)和光電系統(tǒng)。
根據(jù)現(xiàn)代光譜儀器的工作原理，光譜儀可以分為兩大類：經(jīng)典光譜儀和新型光譜儀。經(jīng)典光譜儀器是建立在空間色散原理上的儀器；新型光譜儀器是建立在調(diào)制原理上的儀器。
而本文中講述的紅外光譜儀Mozza (FASTLITE.Inc) 即是一臺基于聲光調(diào)制進(jìn)行波長選擇的新型光譜儀。
Mozza內(nèi)部的分光元件不是傳統(tǒng)光譜儀中的光柵或棱鏡結(jié)構(gòu)，而是一個(gè)基于TeO2晶體聲光調(diào)制作用的帶通濾波器(Acousto-opticTunable Filter, AOTF)。通過控制加載在晶體上的聲波頻率來選擇該窄帶濾波器的中心頻率。
因而，通過掃描聲波頻率，可以選出入射光脈沖的不同頻率成分，用探測器記錄其光學(xué)強(qiáng)度值。最后將聲波頻率重建為光頻率，從而得到完整的入射光光譜。由于Mozza同時(shí)具有寬測量范圍(1-5um)和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，使得它成為紅外光譜研究中的一個(gè)越來越不可或缺的測量儀器。
Mozza光譜儀
下面結(jié)合圖2介紹Mozza光譜儀的工作原理：
圖2. Mozza基本原理圖
如圖2，為Mozza的基本原理圖，入射激光脈沖經(jīng)過分束片分成兩束，透射光通過AOTF晶體(加載特定的聲波頻率)，輸出的窄帶衍射光的強(qiáng)度信息被一個(gè)單點(diǎn)探測器記錄下來(MCT)；
經(jīng)分束片的反射光直接被另一個(gè)單點(diǎn)探測器(MCT)記錄。如果入射光脈沖的能量穩(wěn)定性發(fā)生變化，利用參考光的強(qiáng)度可以修正因入射光能量改變造成的衍射光的強(qiáng)度變化，從而使光譜儀記錄的歸一化強(qiáng)度保持穩(wěn)定。
但是，一束待測激光入射到聲光晶體上，除了會出現(xiàn)我們測量需要的衍射光束外，還會出現(xiàn)測量不需要的透射光束，且該透射光束的能量要比衍射光束大幾個(gè)數(shù)量級。為了消除透射光束，提高信噪比，Mozza還用到了以下幾種技術(shù)：
由于經(jīng)聲光晶體的衍射光束和透射光束的出射方向不同，可以用狹縫來濾除大部分透射光；
由于經(jīng)聲光晶體的衍射光束(P偏振)和透射光束(S偏振)的偏振不同，可以用寬帶偏振器來濾除大部分透射光；
但是，經(jīng)過以上兩種方法后，仍有可能有透射光或其散射光進(jìn)入MCT，為進(jìn)一步提高信噪比，Mozza采用了一種鎖定探測技術(shù)(lock-in detection technique).
Mozza記錄了在聲光晶體上加載調(diào)制聲波和不加載調(diào)制聲波時(shí)，MCT測量到的信號，然后兩者做差分運(yùn)算，從而消除剩余部分的透射光對探測信號的影響。所以，Mozza可以得到極高的信噪比。
此外，Mozza的靈敏度和分辨率曲線如下圖3所示，可以看出，在1.2um-3.0um波段范圍，Mozza均具有極高的靈敏度和分辨率。
圖3，Mozza靈敏度(黑色)和分辨率(藍(lán)色)曲線
圖4. Mozza測量暗光譜
綜上，基于Mozza的工作原理，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：
基于AOTF，可以測量幾Hz到MHz乃至連續(xù)光的中紅外激光；
無需更換狹縫和光柵，可以直接精確測量幾個(gè)光學(xué)倍頻程的紅外脈沖(1~5um)；
基于MCT單點(diǎn)探測器，可以實(shí)現(xiàn)極高的光譜分辨率(5cm-1)和靈敏度(0.5pJ/5cm-1)，如圖3；
基于光路設(shè)計(jì)和模擬算法，可以實(shí)現(xiàn)激光能量波動的補(bǔ)償，降低掃描過程中對脈沖能量穩(wěn)定性的要求；
動態(tài)范圍可達(dá)40dB；
極高的信噪比——鎖定探測模式
在實(shí)際使用過程中，Mozza又有如下的不足。
Mozza基于掃描式測量，如果待測信號光重復(fù)頻率低，則測量時(shí)間很長，此時(shí)對光的穩(wěn)定性有所要求。對于某些要求掃描速度快的場合來說，不是很方便，如低重頻光的CEP測量。
Mozza利用MCT探測光信號，由圖3和圖4可以看出，當(dāng)待測波長大于5um時(shí)，Mozza測得的噪聲很大。
但瑕不掩瑜，由于Mozza具有寬測量范圍(1-5um)和高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，使得它成為紅外光譜研究中的一個(gè)越來越不可或缺的測量儀器。
關(guān)于Mozza的具體使用方法，我們會在下一期中介紹。
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