Vernier spektroskopia - Vernier spectroscopy

Spektroskopia noniuszem to typ lasera wnęki zwiększyć spektroskopii absorpcyjnej , który jest szczególnie wrażliwy na działanie gazów śladowych. Metoda wykorzystuje grzebienia laserowej w połączeniu z wysokim finezyjny jamy optycznej w celu wytworzenia widma absorpcji w sposób wysoce równoległy. Sposób jest również zdolne do wykrywania gazy śladowe w bardzo niskich stężeniach ze względu na efekt wzmacniania rezonatora optycznego skutecznej długości toru optycznego.

Przegląd metod

Zrozumienie zasady działania spektroskopii Vernier'a wymaga zrozumienia grzebień częstotliwości laserów. Oscylujące pole elektryczne lasera (lub sygnał zależny od czasu) może być reprezentowana przez sumę sygnałów sinusoidalnych w dziedzinie częstotliwości za pomocą szeregu Fouriera . Oscylujące pole elektryczne spójny i ciągły fali lasera (CW) jest przedstawiony jako pojedynczy wąski pik w reprezentacji w domenie częstotliwości. Jeżeli laser znajduje się zmodulowany amplitudowo w celu wytworzenia trwałego ciąg krótkich impulsów (zwykle poprzez tryb blokowaniem), co odpowiada reprezentacji w dziedzinie częstotliwości jest szereg wąskich szczyty częstotliwości skupione wokół pierwotnego cw częstotliwość lasera. Piki te częstotliwości jest oddzielony od częstotliwości impulsów w dziedzinie czasu. To się nazywa tempo powtarzania grzebienia częstotliwości.

Ponieważ czułość spektroskopii absorpcyjnej w zależności od długości drogi światła w próbce testowej, spektroskopia wnęki zwiększyć osiąga wysoką czułość, tworząc wiele przechodzi przez próbkę, skutecznie pomnożenie długości ścieżki. Spektroskopia noniuszem wykorzystuje wysoką finezji wnękę do wytworzenia dużego wzmocnienia. Wysoki impasują jamy optycznej również wytwarzać ostry stan rezonansową, w której tylko światło, które jest sprzężone z nim o częstotliwości pokrywających się harmonicznej wolnej zakresie widmowym jamy przyniesie interferencja i znacznym wyjścia komory.

Nie będzie znaczne wyprowadzany z tylko rezonatorem optycznym gdy pik częstotliwość lasera grzebień częstotliwości pokrywa się z harmonicznej wolnej zakresie widmowym wnęki. Spektroskopii Vernier, stosunek szybkości powtarzania grzebień częstotliwości do swobodnego zakresie widmowym jamy oznacza N / (n-1), gdzie N jest liczbą całkowitą, tak że tylko co N szczyt grzebienia się zaspokoić warunek rezonansu jamy optycznej i rozprzestrzeniać się poprzez niego i próbki. To jest tak dobrana, że oba zestawy rezonansów tworzą noniusz , podając nazwę na technice. Jest to istotne, ponieważ typowy grzebień częstotliwości częstotliwość powtarzania jest rzędu częstotliwości radiowych, dzięki czemu zadanie rozwiązywania i wykrywania poszczególnych składników częstotliwości trudne. Jeśli liczba N jest za duży, wówczas rozdzielenie częstotliwości pików wyjściowych rezonator będzie wystarczająco duże, aby być rozwiązane za pomocą prostej siatki spektrometru . Jeśli długość wnęki jest lekko zmieniony, zwykle za pomocą siłownika piezoelektrycznego, wówczas swobodny zakres widmowy jamy będzie również zmienić. Ta zmieniająca się FSR tworzy nowy zestaw rezonansów z grzebienia miarę postępu skanowania skutecznie skanowania przez zestawy „odfiltrowane” szczytów grzebienia.

Poszczególne elementy składowe częstotliwości transmitowanego światła są przestrzennie oddzielone za pomocą prostego spektrometru zwykle siatka dyfrakcyjna. W celu uzyskania wysoce równoległy pomiar poszczególnych składowych częstotliwościowych przenoszonych przez ciecz i na zewnątrz wnęki, A CCD stosuje się kamerę, która może pracować w zakresie widma światła laserowego. W przypadku siatki dyfrakcyjnej, składowe częstotliwościowe są oddzielane w jednym kierunku przestrzennym i koncentruje do kamery CCD. W celu wykorzystania w drugim kierunku przestrzennym CCD światło jest skanowane całej prostopadle CCD w tym samym czasie długość wnęki jest skanowany za pomocą siłownika. W ten sposób powstaje siatka szczytów obrazu CCD odpowiadającego stanu dopasowania trybu między grzebienia i jamy optycznej.

Przykład urządzenie

Możliwe ustawienie spektrometru Vernier. Trzy działania są zsynchronizowane: długość skanowania optycznego jama, obrót lustro przez pole widzenia matrycy CCD oraz czas ekspozycji CCD. PZT jest siłownik piezoelektryczny , który może powodować lekkie regulacji długości komory. Lustro jest obracany za pomocą silnika krokowego . Jamy optyczny składa się z dwóch silnie odbijających zwierciadeł (chociaż pozwala na częściowe transmisji), w celu uzyskania dużego efektu poprawy na długości toru optycznego.

Prosta realizacja konfiguracji spektroskopii Vernier ma pięć podstawowych składników: grzebień częstotliwości regulowaną wysokiej impasują jamy optyczny, siatka dyfrakcyjna, obrotowe lusterko i kamerę CCD. Gaz śladowych do pomiaru jest umieszczany pomiędzy zwierciadeł jamy optycznej, aby umożliwić optyczne wzmocnienie ścieżki. Grzebień częstotliwości jest połączona do rezonatora i wytwarzano stosunek Verniera z funkcją reakcji. Wyjście komory odbija się siatkę dyfrakcyjną, zapewniając odstęp kątowy składowe częstotliwościowe wiązki. Ugiętej wiązki jest następnie odbijane od zwierciadła obrotowe i skupiane na kamerze CCD. Trzy rzeczy musi się wydarzyć w synchronizacji. Skany optyczne komory przez wolny zakresie widmowym wnęki gdy zwierciadło obrotowe jednocześnie skanowania w kierunku prostopadłym do siatki dyfrakcyjnej'S płaszczyznę dyfrakcyjną. Te dwa działania mogą być synchronizowane za pomocą okresowego napięcia rampy, który steruje zarówno skanowania wnęka (wykonaną przy użyciu siłownika piezoelektrycznego) i obracanie płyt (sterowany przez silnik krokowy). Jeśli czas ekspozycji kamery CCD jest również równy okresowi przebiegu liniowego, uzyskany CCD jest dwuwymiarowa matryca około Gaussa pików. W ten sposób, całe widmo jest wytwarzane w okresie przebiegu liniowego. Czas potrzebny, aby uzyskać widmo jest ograniczony przez czas skanowania ustnej, obrotowy reakcji lustrzanych, minimalny czas ekspozycji kamery. Ten szczególny schemat spektroskopii Vernier jest zdolny do wytwarzania widmo absorpcji tego gazu (<1 ppm objętościowo) dziesiątki tysięcy punktów danych, w czasie krótszym niż jedna sekunda.

Obraz zbierane przez CCD aparatu. Czerwona strzałka pokazuje coraz częściej w stopniach grzebienia częstotliwości częstotliwości powtarzania. Każde miejsce na miejscu odpowiada określonej częstotliwości, przy czym intensywność na miejscu odnosi się do transmisji od tej częstotliwości przez próbki. Dalsze informacje dotyczące przesunięcia fazowego światła przez próbki można otrzymać z postaci punktowej. Ten obraz będzie odpowiadać proporcji Vernier z 10/9

Spektroskopia noniuszem do swoistego 2-wymiarowy wzorzec widmowej na obrazie, matrycy CCD około Gaussa pików. Zintegrowane natężenie każdego piku Gaussa natężenia daje transmitowanych przez gazu testowego, a położenie piku zawiera również informacje o względnej częstotliwości piku. Dodatkowe informacje dotyczące przesunięcia fazowego światła przenoszonego przez gaz testowy można ekstrahować z kształtu poszczególnych piki w obrazie. Mimo wszystkich informacji spektralnej jest zawarta w obrazach produkowanych przez CCD, pewna ilość przetwarzania obrazu jest wymagane do konwersji obrazu CCD w tradycyjnym jednowymiarowego widma

Referencje