Spektroskopia z noniuszem
Spektroskopia z noniuszem to rodzaj laserowej spektroskopii absorpcyjnej wzmocnionej wnęką , która jest szczególnie wrażliwa na gazy śladowe. Metoda wykorzystuje grzebieniowy częstotliwości w połączeniu z bardzo precyzyjną wnęką optyczną w celu wytworzenia widma absorpcji w wysoce równoległy sposób. Dzięki wzmocnionemu wpływowi rezonatora optycznego na efektywną długość drogi optycznej metoda umożliwia również wykrywanie gazów śladowych w bardzo niskich stężeniach.
Przegląd metody
Zrozumienie zasady działania spektroskopii Verniera wymaga zrozumienia działania laserów grzebieniowych częstotliwości . Oscylujące pole elektryczne lasera (lub dowolny sygnał zależny od czasu) może być reprezentowane przez sumę sygnałów sinusoidalnych w dziedzinie częstotliwości za pomocą szeregu Fouriera . Oscylujące pole elektryczne spójnego lasera o fali ciągłej (cw) jest reprezentowane jako pojedynczy wąski pik w reprezentacji w dziedzinie częstotliwości. Jeśli laser jest modulowany amplitudowo aby wytworzyć stabilny ciąg bardzo krótkich impulsów (zwykle poprzez blokowanie modów), równoważną reprezentacją w dziedzinie częstotliwości jest seria wąskich pików częstotliwości skupionych wokół oryginalnej częstotliwości cw lasera. Te piki częstotliwości są oddzielone częstotliwością impulsów w dziedzinie czasu. Nazywa się to częstotliwością powtarzania grzebienia częstotliwości.
Ponieważ czułość spektroskopii absorpcyjnej zależy od długości ścieżki światła w badanej próbce, spektroskopia wzmocniona wnęką osiąga wysoką czułość poprzez tworzenie wielu przejść przez próbkę, skutecznie zwielokrotniając długość ścieżki. Spektroskopia z noniuszem wykorzystuje wnękę o wysokiej finezji, aby uzyskać duże wzmocnienie. Wnęka optyczna o wysokiej finezji będzie również wytwarzać ostry stan rezonansu, w którym tylko światło, które jest do niej sprzężone z częstotliwościami pokrywającymi się z harmoniczną swobodnego zakresu widmowego wnęki, będzie wytwarzać konstruktywną interferencję i znaczną moc wyjściową wnęki.
rezonatora optycznego będzie tylko wtedy, gdy szczyt częstotliwości z lasera grzebieniowego częstotliwości zbiegnie się z harmoniczną swobodnego zakresu widmowego wnęki. W spektroskopii Verniera stosunek częstotliwości powtarzania grzebienia częstotliwości do swobodnego zakresu widmowego wnęki wynosi N/(N-1), gdzie N jest liczbą całkowitą, tak że tylko każdy N szczyt grzebienia częstotliwości spełni stan rezonansu wnęki optycznej i propagować przez nią i próbkę. Jest to tak dobrane, że dwa zestawy rezonansów tworzą skalę Verniera , nadając nazwę technice. Jest to istotne, ponieważ typowa częstotliwość powtarzania grzebienia częstotliwości jest rzędu częstotliwości radiowych, co utrudnia zadanie rozwiązania i wykrycia poszczególnych składowych częstotliwości. Jeśli N jest duże, to separacja częstotliwości pików wyjściowych rezonatora będzie wystarczająco duża, aby można ją było rozdzielić za pomocą prostego spektrometru z siatką . Jeśli długość wnęki zostanie nieznacznie zmieniona, zwykle za pomocą siłownika piezoelektrycznego, wówczas swobodny zakres widmowy zmieni się również jama ustna. Ten zmieniający się FSR rozwija nowy zestaw rezonansów z grzebieniem częstotliwości w miarę postępu skanowania, skutecznie skanując zestawy „odfiltrowanych” szczytów grzebienia częstotliwości.
Poszczególne składowe częstotliwościowe transmitowanego światła są rozdzielane przestrzennie za pomocą prostego spektrometru, zwykle siatki dyfrakcyjnej. W celu uzyskania wysoce równoległego pomiaru poszczególnych składowych częstotliwości transmitowanych przez próbkę i poza wnękę, CCD zdolna do pracy w zakresie spektralnym światła laserowego. W przypadku siatki dyfrakcyjnej składowe częstotliwości rozdzielane są w jednym kierunku przestrzennym i ogniskowane w kamerze CCD. W celu wykorzystania innego kierunku przestrzennego matrycy CCD, światło jest skanowane w kierunku prostopadłym matrycy CCD w tym samym czasie, gdy długość wnęki jest skanowana za pomocą elementu uruchamiającego. Tworzy to siatkę pików na obrazie CCD odpowiadającą warunkom dopasowania trybu między grzebieniem częstotliwości a wnęką optyczną.
Przykładowa aparatura
Prosta realizacja konfiguracji spektroskopii Verniera obejmuje pięć podstawowych elementów: grzebień częstotliwości, skanowalną wnękę optyczną o wysokiej finezji, siatkę dyfrakcyjną, obracające się lustro i kamerę CCD. Mierzony gaz śladowy jest umieszczany między zwierciadłami wnęki optycznej, aby umożliwić wzmocnienie ścieżki optycznej. Grzebień częstotliwości jest połączony z rezonatorem i tworzy współczynnik Verniera z funkcją odpowiedzi. Wyjście z wnęki odbija się od siatki dyfrakcyjnej, zapewniając separację kątową składowych częstotliwości wiązki. Ugięta wiązka jest następnie odbijana od obrotowego lustra, a następnie ogniskowana na kamerze CCD. Trzy rzeczy muszą się zatem wydarzyć w synchronizacji. Wnęka optyczna skanuje swobodny zakres widmowy wnęki, podczas gdy obracające się lustro jednocześnie skanuje kierunek prostopadły do płaszczyzny dyfrakcji siatki dyfrakcyjnej. Te dwa działania można zsynchronizować za pomocą okresowego napięcia rampy, które steruje zarówno skanowaniem wnęki (wykonywanym przez siłownik piezoelektryczny), jak i obrotem lustra (sterowanym przez silnik krokowy). Jeśli czas ekspozycji kamery CCD jest również ustawiony na równy okresowi napięcia rampy, uzyskany obraz CCD jest dwuwymiarową matrycą złożoną w przybliżeniu z pików gaussowskich. W ten sposób w okresie narastania napięcia powstaje całe widmo. Czas potrzebny do uzyskania widma jest ograniczony przez czas skanowania wnęki, reakcję obracającego się lustra i minimalny czas naświetlania kamery. Ten konkretny schemat spektroskopii Verniera jest w stanie wytworzyć widmo absorpcyjne gazu śladowego (<1 ppmV) z dziesiątkami tysięcy punktów danych w mniej niż sekundę.
Spektroskopia z noniuszem wytwarza rodzaj dwuwymiarowego wzoru widmowego na obrazie CCD, matrycę pików w przybliżeniu gaussowskich. Zintegrowane natężenie każdego piku Gaussa daje natężenie transmitowane przez gaz testowy, podczas gdy położenie piku dostarcza również informacji o względnej częstotliwości piku. Dodatkowe informacje o przesunięciu fazowym światła przepuszczanego przez gaz testowy można uzyskać z kształtu poszczególnych pików obecnych na obrazie. Chociaż wszystkie informacje widmowe są zawarte w obrazach tworzonych przez przetwornik CCD, do przekształcenia obrazu CCD w tradycyjne jednowymiarowe widmo wymagana jest pewna ilość przetwarzania obrazu